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JPS627967B2 - - Google Patents
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JPS627967B2 - - Google Patents

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JPS627967B2
JPS627967B2 JP52098818A JP9881877A JPS627967B2 JP S627967 B2 JPS627967 B2 JP S627967B2 JP 52098818 A JP52098818 A JP 52098818A JP 9881877 A JP9881877 A JP 9881877A JP S627967 B2 JPS627967 B2 JP S627967B2
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JP52098818A
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Jei Waiatsuto Fuiritsupu
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Technicon Instruments Corp
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    • G01N15/10Investigating individual particles
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    • G01N15/1456Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals
    • G01N15/1459Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals the analysis being performed on a sample stream
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    • G01N15/14Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/149Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry specially adapted for sorting particles, e.g. by their size or optical properties

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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、大きな有機質細胞、特に白血球及び
他の型式の哺乳動物細胞を迅速に特性づけそして
識別する為示差光散乱(differential light
scattering)技術の使用に関係する。この目的の
為、今までに様々な方法や装置更にはその改善策
が提唱されている。本件と関係する先行技術例と
しては次のようなものがある。米国特許第
3624835号、第3770351号、第3730842号、第
3754830号、第3928140号、1971年5月3日付米国
特許出願番号第139366号。 長い間、大きな有機質粒子、特に白血球及び他
の型式の哺乳動物細胞を迅速に同定しそして識別
する方法に対する必要性が存在していた。この目
的の為、多数の物理的技術が提唱され、そしてこ
れら技術を使用する様々の機器や方法が開発され
てきた。このような技術は、化学的染色方法、ク
ロマトグラフ分析法、及び自動化顕微境検査シス
テムのような物理的方法を含んでいる。これらの
技術はすべて、それらの能力、分析しうる細胞の
密度及び分析速度においてきわめて大きい制約を
受けた。一層重要なことに、これら技術の多くは
その精度に凝問があることが示された。 本発明は、細胞、特に白血球及び他の哺乳動物
細胞を迅速に同定し、特性づけそして識別する為
の方法に向けられる。本発明は示差光散乱法とし
て知られる分析技術を使用する。この技術は微小
粒の迅速にして精確な分析を為しうることが示さ
れている。 細胞を、“同定し”“特性づけ”そして“識別す
る”という用語は本発明の有用性の範囲を記載す
るのに使用される。“同定する”というのは、そ
の細胞が何であるか(例えば多形核の白血球かど
うか)を意味し、他方“特性づけ”は寸法、形
状、及び誘電構造のようなその物理的特性を指定
するのに使用され、そして“識別する”は異つた
型式の細胞を分離若しくは区別する(例えば正常
の赤血球から鎌状赤血球の区別、正常リンパ球の
汚染物を含む異常リンパ球からの区別、或いはガ
ン化した扁平状細胞をそれらの正常細胞から区別
等)ことを意味する。 哺乳動物細胞系を分析するのに示差式光散乱技
術を使用する様々なシステムが多くの出版物に記
載されている。このような出版物の例として、ジ
ヤーナル オブ クリニカル ケミストリ
(Journal of Clinical Chemistry)、21巻、No.9、
1297〜1304頁(1975)に書かれた細胞特性決定の
為のフローシステム多角度光散乱機器」及びアク
タ シトロジカ(Acta Cytolo−gica)、19巻、No.
4、374〜377頁(1975)に書かれた「レーザ光散
乱による細胞の分類」なる論文がある。これらの
論文は水中に懸濁された哺乳動物細胞を照射する
のに単色光ビームを使用するシステムを記載して
いる。得られる示差光散乱パターンはきわめて複
雑である。この理由の為、或る特性を持つ標本母
集団を別の特性を持つ母集団から分離するのに示
差光散乱パターン全体のうちどの個々の帯域を使
用するかを決定するのに経験による方式が使用さ
れていた。明らかに、このような経験に頼る方法
は、これらの扱いうる様々な細胞母集団への適用
性及び意味のある結果を生みだしうる能力におい
てきわめて大きな制限を受ける。 本発明は、特に白血球及び他の型式の哺乳動物
細胞のような細胞を迅速に特性づけそして識別す
る為の方法を提供する。本発明方法においては、
分析されるべき細胞母集団中の関心のある細胞の
寸法にほぼ等しい波長を持つ偏光された単色光照
射ビームを使用する。その母集団の個々の細胞は
ビームにより照射され、そして関心のある細胞は
示差光散乱(DLS)パターンを発生する。このパ
ターンは比較的幅広い極大値及び極小値を持つ共
鳴散乱特性を示す、即ち各極大値及び極小値は通
常10〜30度における角度範囲にわたつて延在す
る。これらのパターンはそこから有用な情報がほ
とんど乃至全然得られない程形において単純でな
くまた細部にわたつて過度に複雑でない。むし
ろ、これらは共鳴散乱システムにより発生された
が故に、これらパターンは個々に照射された散乱
体を特にその寸法、形状及び誘電構造のような物
理的特性に関して特性決定するに充分の有意義な
特性を具現しており、それにより散乱体が精確に
そして明確に同定されそして識別されることを可
能ならしめる。 大きな有機質粒子の同定、特性づけ及び識別に
対しての光散乱現象の実際的な適用は、これら粒
子を従来態様で液体懸濁状態とすることから開始
される。この懸濁液はエーロゾル化されそして好
ましい方法においては液滴が生成される。これら
液滴の一部は一つの細胞を含んでいよう。これら
液滴が検査されそして細胞を含む液滴が他の細胞
を含まない液滴から分離され、その後各細胞を取
巻く液体が蒸発せしめられて、自由な空気担持細
胞の流れをもたらす。これら分離された細胞の
各々は検査される細胞の平均寸法にほぼ等しい波
長の偏光された単色光輻射ビームでもつて順次照
射される。例えば哺乳動物細胞の懸濁物に対して
は赤外領域における波長が使用される。各細胞に
より散乱される光は細胞の周りでの充分な数の角
度位置において検知されてその細胞の物理的性質
に固有の示差光散乱パターンを提供する。 これらの一連のDLSパターンは記録されそして
解析されて細胞を同定し、特性決定しそして識別
するのに使用される。このような解析の一例とし
て、個々の細胞により発生せしめられるパターン
は、例えば第1番目のピーク強さと続いてのピー
クの強度との比のような或る種の強度比を決定す
るべく処理されそして後示差光散乱パターンにお
いて同様の数のピークを持つ細胞がこれらの比率
に基く多次元解析において分類されて、同様の特
性を持つ細胞毎にグループ分けする。様々な型式
の既知の細胞についてのこのような解析例を多数
用意しておくことによつて、不明の細胞が既知の
細胞の型式のいずれかとして同定されうる。示差
光散乱パターンを測定するのに使用される検出器
は一様な立体角を受光するようになす必要もなけ
れば一様な暗流に標準化される必要もない。解析
全体を通して同一のシステムを使用することによ
り、これらの差異は結果に影響を与えなくなる。 ここで呈示する教示に従つて大きな粒子からの
DLSパターンを然るべく測定し、記録しそして解
析することのできる機器形態についての多くの型
式が存在するけれども、実際的なシステムに対し
て必要とされる幾つかの基本要素が存在する。こ
れらは、細胞を取扱いそしてそれらを一度に一つ
レーザビーム内に導入する為の手段を含む。レー
ザ自体は好ましくは約10.6μmで作動する平面偏
光された二酸化炭素赤外源であるが、適当な波長
を発生する他の光源も使用されうる。レーザは好
ましくは、10〜50個の個々の検出器要素の照準線
(受光線)と共面関係にあるようにすべきであ
る。理想的に、配列体において必要とされる検出
器要素の数Nは、真空中での波長λp、存在する
粒子の最大直径D、測定が為される媒体の屈折率
p、及び検出器配列体によつてカバーされうる
角度範囲θの項で表わして、簡単な式N〔2π
Dnp/λp+4〕θ/180゜により与えられる。10.6μ mの赤外線で照射される哺乳動物細胞に対して、
この数は約10と50との間にある。配列される検出
器要素は好ましくは100°乃至それ以上にわたる
一つの円弧上に配されるけれども、検出器要素が
一つの円弧上に載つていないもの、散乱粒子から
距離にないもの、測定角度範囲が100゜以下のも
の或いは検出器が等間隔で隔置されていないもの
等の他の検出器要素形態からも充分のDLSパター
ンを得ることができる。 本発明について以下に詳しく説明する。 本発明の理解の為には示差光散乱
(differentiallight Scattering)を先ず理解するこ
とが肝心である。示差光散乱の基本的概念は多く
の特許や文献、特に本発明者によるものに説明さ
れているけれども、簡単に述るなら、これは一つ
乃至それ以上の粒子を照射するのに偏光された単
色光線源を使用する。粒子はその寸法、形状及び
誘電性質のような物理的特性に固有の様式で照射
を散乱する。散乱光のパターンは、散乱体のまわ
りに一つの視準化された検出器を回転することに
より或いは複数の固定検出器の配列体を使用して
感知される。測定された強度は、示差光散乱パタ
ーンをプロツトするべく検出器角度の関数として
記録されうる。 このような示差光散乱パターンは散乱体に関し
て多大の情報を含んでいることもあるし、またそ
れらが散乱体について情報をほとんど乃至全然与
えないこともある。例えば、粒子の寸法が照射ビ
ームの波長に対して非常に小さいなら、粒子のま
わりでの測定角度の関数としての散乱輻射線の強
度に変化はほとんど乃至全然示されない。他方、
粒子の寸法が照射ビームの波長に対してきわめて
大きいなら、散乱パターンに非常に多数の極大及
び極小が示される。そこから顕著な粒子特性を読
取るべくこのようなパターンを解釈する作業は大
きな骨折である。 この解析作業は、照射単色光源の波長を被照射
粒子の全体寸法におおよそ等しくなるよう調節す
ることにより著しく簡易化されうる。このような
近似的な同等性が存在する時、即ち粒子が照射光
と共鳴領域にある時、生じる示差光散乱パターン
はやはり最大及び最小を示すが、粒子の構造に直
接相関する多くの特徴があまりに細かく現出され
ていて解析作業が徒労に帰す程複雑ではない。 共鳴散乱技術の使用はきわめて有意義である。
示差光散乱パターンは、粒子の寸法、形状、配向
及び構造並びに入射線の偏光及び波長の複雑な関
数である。もつとも重要な散乱パラメータは標準
化(normalized)寸法即ち ρ=πDn/λ=ka (1) ここでa:平均粒半径 D(=2a):平均粒直径 λp:入射線の真空中波長 np:粒子を取巻く媒体の屈折率 である。寸法パラメータρの変動は対応する示差
光散乱パターンにもつとも大きな影響を与える
が、寸法自体は、正常細胞から異常細胞の識別、
ある型式の赤血球の別のものからの識別或いは一
つの型式の花粉を別の型式のものからの識別の為
のパラメータとしてはもつとも重要性が少くそし
てもつともあいまいなものの一つである。加え
て、寸法分布は不変的に重なり合つている。ρが
非常に大きくなるにつれ、示差光散乱パターンに
は解析上の重要性をほとんど持たない追加的ピー
クが沢山現われるようになる。 DLSパターンがN個の検出器要素の配列体によ
り記録されるのなら、0゜から180までの全角度
範囲にわたつて配置されるこれらの検出器の最適
数は次の式により簡単に与えられる: N2ρ+4 (2) 換言すれば、180゜範囲全体にわたつて適正間隔
のN個の位置で記録された強度データから、これ
らの位置間でのDLSパターンは非常に正確に内挿
乃至補間されうる。関心のある角度範囲がこの
180゜以下であるなら、その場合検出器要素の数
は180゜に対するその角度範囲の比率により然る
べく減少されうる。ところで、DLSパターンを感
知するべくこのような配列体を使用してのある特
定の測定に対しては、必要とされる検出器要素の
最大数は測定されるべき関心のある最大の粒の寸
法により完全に指定される。斯くして、Nは常に
ほぼ2ρnax+4(ここでρnaxは検査される懸濁
体中の関心のある粒の最大のものの予想される標
準化寸法)であるよう選択されるべきである。 10.6μmの赤外波長により照射される平均直径
60μmの空気担持されるうろこ状細胞に対して
は、検出器要素の最適数はほぼ 2π60/10.6+440 (3) である。 大きな散乱角度においては、内部組織乃至構造
が散乱特性の変化を決定するのに重要な役割をは
たす。実際上、この事実はずつと以前本発明者に
より指摘された(アプライド オプテイツクス
(Applied Optics)Vol7、1879〜1896頁、1968
年)。この事実は、ロス アラモス サイエンテ
イフイツク ラボラトリ(Los Almos Scientific
Laboratory)で行われている広範な示差光散乱
研究の基礎となつた。更に一層大きな角度の示差
光散乱測定の使用により、同様の型式の哺乳動物
細胞間での区別を為しうるのではないかと期待が
持たれた。これらの測定は632.8nmの可視波長で
作動するHe−Neレーザを使用して為された。こ
のような波長は検査されるうろこ細胞の平均寸法
に比較してきわめて小さい。幾つかの成果が報告
されたけれども、このような短い波長を使用して
のこれら測定ではもはや最終的限界に達してこれ
以上のことは望めなかつた。これに対する理由は
明白である。大きな散乱角度においては、このよ
うな大きなρの値に対する示差光散乱パターンは
次のパラメータを通してρに近密に依存する。 ξ=ρ (4) (ここでは散乱粒子の平均屈折率をnpで割
つたものである。) 異つた型式の哺乳動物細胞は僅かに異つた値
を持つものと予想されるから(もつと重要なこと
にはそれらは異つた寸法のドメインに分類される
けれども)、ρ測定値に基く或る程度の分離は
予想される。“シクラスターアルゴリズム
(cluster algorithms)”を使用しての報告された
区別は偶然的であるが、匹敵しうるρ値を持つ
細胞間の区別を行うことはほとんど不可能であろ
う。もつと長い波長の輻射を使用することの重要
性について気づきはしていたけれども、赤外線と
関連する問題がその試行を行うことさえも頭から
阻んでいた。 本発明は、示差光散乱技術による哺乳動物細胞
や他の大きな有機質粒の識別と特性決定が、赤外
線輻射を使用して測定が達成されさえすれば、こ
れらの共鳴波長においては照射される粒の寸法は
照射輻射線の波長に相当するから、実利的である
という認識に基いている。これは残る2つの寸法
関係、即ち粒子が照射輻射線に較べて非常に小さ
い場合と粒子が照射輻射線に較べて非常に大きい
場合とを考慮することによりはつきりしよう。 例えばマイクロ波輻射線を使用する前者の場
合、角度に依存しての散乱強度における変化が存
在しないことが示されうる。従つて、強度測定は
唯一つの任意の角度で為されればよい。単一の小
さな粒子からの絶対散乱強度は、それが実際に測
定しえたとしても、粒を類別乃至分離するのには
使用しえない。何故なら、このような測定量は不
明瞭である。即ち単一の強度測定値は特定のクラ
スの哺乳動物細胞と関連づけしえないからであ
る。僅かに異つた標準化寸法、ρは平均相対屈折
率における変動により容易に補償されるし、ま
たその逆のことも言える。更に、異つた種類の細
胞間の僅かの構造上の或いは形状上の差異は、散
乱強度に単一測定値による効果を持たず、従つて
これらの差も検知しえない。 例えば可視光を使用する後者の場合、粒の寸法
は照射輻射線の波長に較べて非常に大きい時、示
差光散乱パターンは粒の重要な構造特性を説明す
るに必要とされるより多くの散乱光の詳細を過剰
に具現している。このようなパターンの一例及び
それらが示す複雑な細部は、アプライド、オプテ
イツクス(Applied、Ophics)Vol9、(1970)の
2522頁以降に掲載される論文「個々の透明球によ
る散乱」に示されている。そこに呈示される各測
定に対するデータの過多はきわめて簡単な散乱装
置からもたらされた:一様な誘電構造の球状液滴
が粒寸法の約1/100の波長の偏光単色光輻射によ
つて照射された。 本発明は、可視光の波長に較べてきわめて大き
い細胞、特に様々な型式の哺乳動物細胞の迅速な
同定、識別及び特性決定を意図している。これら
細胞は一つの誘電性組織を持つ内部を取巻く別の
誘電性組織の膜をしばしば含んでおり、そしてこ
れらは更に別の誘電性組織の様々な粒や組織上の
異常部を含んでいることがある。これら様々の組
織の形状及び寸法はしばしば非円形であり、幾つ
かは例えば小板状である。万一可視光照射、即ち
波長がこれら粒子の平均直径に較べて非常に小さ
い輻射線がこのような粒に対する示差光散乱パタ
ーンを得るのに使用されたなら、きわめて多数の
最大及び最小がこのパターン上に余計に現出する
だけでなく、これら組織特性の幾つかにおけるご
く僅かの変化でさえ散乱パターンには非常に大き
な変化として表われる。以上のことは、異つた組
成を持つ粒間での識別にこのような複雑な示差光
散乱パターンを使用しようとする試みが無益に近
いことを示すものである。 既に述べたように、本発明は大きな有機質細
胞、特に哺乳動物細胞を迅速に同定し、そして識
別する為の方法を提供する。このような細胞は代
表的に、数μm径から数十μm径前後までの範囲
に及ぶ。これら細胞は赤血球、白血球及びうろこ
状細胞を含む。このような個々の細胞が例えば10
μmのオーダの波長の偏光単色光ビームで照射さ
れるなら、このシステムにより生成される示差光
散乱パターンに幅広の最大及び最小域が現出され
る。粒の寸法が所謂共鳴領域にあるこの関係は、
被散乱物の構造上の差異とはるかに容易に相関づ
けられる特性を持つパターンを発生する。粒の平
均特性における程々の変化は或る角度範囲におい
てパターンに顕著な変化をもたらすが、匹敵しう
る寸法の粒に対しては全体模様は形においてきわ
めて類似している。更に、このようなパターンは
様々な粒の正確な特性決定及び識別を許容するに
充分の詳細さを含むが、被散乱物の物理的特性の
正確な数学的解釈を隠蔽したり或いは阻む程には
多くの余計な情報を含まない。照射ビームの波長
と照射される粒とがおおよそ等しい大きさを持つ
べきであるという認識は、哺乳動物細胞や他の大
きな有機質細胞の迅速にして明確な特性決定及び
識別を実用化ならしめる。また、これは、比較的
簡単でしかも著しく実用的なこのような分析を達
成する為の方法を提供する。 この関係の必要性は、哺乳動物細胞系の分析乃
至解析に対して赤外レーザの使用を指定する。哺
乳動物細胞は水状の流体を含んでおり、通常はそ
れにより囲まれている。これは重大な困難さを呈
する。赤外領域において水の吸収系数は非常に大
きい。斯くして、通常細胞内に存在する或いはそ
れを取巻いて存在する水は哺乳動物細胞からの共
鳴示差光散乱測定において重要な役割を演ずる。
細胞の水懸濁体が赤外線により照射される時、細
胞の寸法と同じ程度に小さい距離内で90%乃至そ
れ以上のオーダにおける照射ビームの減衰が予想
されよう。更に、このような減衰は、懸濁液から
出現する散乱波をひどく歪めそして減衰すること
により細胞により散乱された輻射に悪影響を与え
よう。 従つて、示差光散乱測定及び赤外線測定の分野
でこれら波長においてこのような大きな有機粒子
から意味のあるDLS測定を為す可能性が随分前か
らないものとあきらめられていたことは別に驚く
べきことではない。しかし、水被覆体或いは空気
担持細胞自体内部の水による減衰は、赤外線の実
際的適用を阻むという定着した考えは実はみせか
けだけのことのように思われる。共鳴領域におい
て物体による輻射線の散乱が一般に幾何光学減衰
関係により支配されないことを認識して、赤外共
鳴領域において水担持粒子について予想通りの散
乱性質が測定された。これらは、そのような粒子
が赤外線を強く吸収しない空気のようなガスによ
り取囲まれているならそれらのDLSパターンによ
り識別されうることを結論的に示す。この為、細
胞の散乱測定を気体雰囲気において達成すること
が好ましい。今から説明する好ましい構成におい
て空気が気体として使用されるが、所望なら様々
の他の気体の任意のものが使用されうることを理
解すべきである。更には、関心のある粒が真空雰
囲気においてそれらの組織を維持しうるなら分析
は真空中においても達成されうる。また、赤外線
透過流体が見出されるなら、測定はそのような雰
囲気においても達成しうる。ごく薄い水の層が細
胞を被覆しているだけなら、測定は問題なく達成
しえよう。 前述した通り、哺乳動物細胞或いは花粉粒子の
ような比較的大きな有機質粒に対して共鳴散乱現
象を実際に応用するには、約10μmの波長におけ
る偏光赤外輻射線の使用が必要とされる。要約す
ると、細胞或いは粒子は先ずエーロゾル化されそ
して後乾燥気体の層流によつて検出器配列体を通
して移送される。N(2ρnax+4)個の個々
の検出器要素を配列して成る検出器配列体は、
個々の粒子がコリメートされたレーザビームを通
過する際個々の粒により生成される約100゜の角
度範囲のDLSパターンを感受する。レーザビーム
は好ましくは検知器配列体要素と共面をなしそし
てそれに直角をなす。或る種の検出器は、冷媒冷
却されそしてゲルマニウムのような赤外線透過物
質製の窓を含む絶縁用シリンダによつて乾燥気体
流れから絶縁されるようにしなければならない。 粒がレーザビームを通過する際、粒は期間D/
V(ここでDはビーム径、Vは粒/流れ速度)の
球状波パルスを発生する。個々の検出器要素はそ
れらが受取つたパルスを電気信号に変換し、そし
て後この電気信号は増輻されそして好ましくはデ
イジタル信号として計算機メモリ或いはテープに
記憶される。これらN2ρnax+4個の記憶さ
れた信号はチエビシエブ多項式或いは関連手法を
使用して補間法により粒からの連続DLSパターン
を再構成するのに使用されうるし、また記憶信号
を直接使用することもできる。個々の要素の角度
間隔は等距離とされうる。但し、或る型式の爾後
解析に対しては、この分野に精通している人には
良く知られているようにチエビシエブ多項式TN-
(X)のN方根の位置に応じて検出器を隔置す
ることが好ましいであろう(N=検出器要素の
数、X=〔θ−(θ+θ)/2〕/〔(θ
θ)/2〕、θ及びθ(θ<θ)は
DLSパターンが記録される角度範囲を定義す
る)。 ひとたびDLSパターン或いはこのようなパター
ンを再構成する元となる配列データ点群が記憶さ
れたなら、各粒が同定若しくは別様に然るべく特
性決定されうるように様々のアルゴリズムによつ
てこれらパターンは解析されうる。もつとも実用
的なアルゴリズムは、先ず粒を等寸法の幾つかの
組に分類する特性決定法に基くものであることが
見出された。粒の平均寸法は、2つの角度限間は
DLSピークの数を計数することにより或いは特定
ピークの角度位置を前方向に測定することにより
充分評価されうる。このような推論された寸法パ
ラメータは同定或いは識別に対しては決定的な手
段でないから、同じ有効寸法の粒が互いに比較さ
れる限りその正確な値は重要でない。与えられた
組における粒のすべてが有効に同じ寸法を持つ、
例えば2つの角度限間で同数のピークを持つこと
が確認されたなら、粒は、様々な分類用アルゴリ
ズムにより構造的にそして物理的に互いに識別さ
れうる。これらのアルゴリズムは与えられたDLS
パターンの様々な比率を比較することによりDLS
パターンを特性決定しうる。例えば、ある与えら
れた角度範囲における幾つかのDLSピークの高さ
のその範囲における第1ピークの高さに対する比
率は後に詳述するように識別パラメータの有用な
集合である。他の比率としては、様々な山対谷値
並びに存在する様々なピーク高さ及び谷深さに基
く関数的にもつと複雑な表示と関連する比率が挙
げられる。このような比率はすべて散乱粒の誘電
性質の関数でありそして各粒の特性決定に使用さ
れうる。このような比率による特性決定が存在す
る一定寸粒グループの各々に対して実現される
と、これらは更にシステムの解析処理装置の計算
機メモリ内に保蔵されているこれら比率の記憶カ
タログによつて更に解析される。粒寸の関数とし
てのこのような散乱パターン比率の分布状態が粒
を同定し、特性決定しそして識別する為の別の重
要な手段を表す。 第1図に示されるように、分析されるべき細胞
の懸濁体が、Rev.Sci.Instruments、43、404頁以
降(1972)に掲載されたダブリユ・エイ・ボンナ
(W.A.Bonner)等による論文「螢光活性化細胞
分類」に記載されたのと同様の細胞ソータ即ち分
類器(cell sorter)2に供給される。このソータ
は細胞の液体懸濁体を一群の個々の液滴に離散せ
しめ、その場合個々の液滴は一つ以上の細胞乃至
粒子を含まないよう充分に小さい寸法を持つもの
とされる。後に第2図で詳細に説明するように、
これら液滴は静電気的に荷電され、それらが粒を
含んでいるかどうかを決定する為光ピームにより
照射され、その後細胞を有する液滴のみを含む液
滴流れを生成するべく静電気的偏向により選別さ
れる。この液滴流れ4は検出器システム6に供給
される。検出器システムは各液滴を偏光された単
光色ビーム、好ましくは10.6ミクロメータ波長の
赤外線レーザでもつて照射する。各細胞により順
次して散乱された散乱光が感知器システム、好ま
しくは検知器6内に組込まれた一群の感知器配列
体により測定される。検知器からの出力電気信号
は磁気テープ記録装置のような記録装置8内に伝
達されそしてそこに記憶される。その後、記憶さ
れたデータはコンピユータ アナライザにより解
析される。充分な粒子が解析された後、コンピユ
ータは結果をまとめそして後述するようにテー
プ、デイスク或いはハードコピーの形態で出力を
提供する。 第2図はソータ及び検知器の詳細を例示する。
上述した論文に記載されるように、細胞の液体懸
濁体はチユーブ24におけるオリフイス22を通
り抜けて一連の液滴26を生成する。各液滴はイ
オン化源により荷電されている。個々の液滴はビ
ーム28により照射され、そして各液滴からの散
乱強さが検出器30により感知され、増幅されそ
して解析器32に伝達される。解析器32は一組
の静電気的偏向板34に電気ポテンシヤルを制御
下で供給する。液滴流れはこの静電気的偏向装置
の両板間を通過する。順次して落下する液滴によ
り発生されそして検出器30により測定された散
乱はその液滴内に細胞が存在するかしないかを決
定するべく解析される。その解析の結果に応じ
て、解析器は偏向板組を付勢して流れから細胞を
含まない液滴36を静電気的に偏向する。残りの
液滴38即ち細胞乃至粒子を含む液滴は検出器シ
ステムへと通る。 検出器システムは、ハウジング即ち散乱室4
2、感知器配列体44、導入口46及び排出口4
8を含む。輻射源50、好ましくはレーザが、単
色光ビーム、好ましくは平面偏光赤外線52を発
生する。このビームはハウジング42内にその開
口54に設けられた窓56を通して入りそしてハ
ウジングを通過した後レイリーホーン即ち光トラ
ツプ58へと通る。好ましくは、ビームの通る軸
線は検出器配列体44の面に載りそして液滴流下
軸線に直角とされる。但し、この関係は以後わか
るように本装置の作動に対して必須要件ではな
い。検出器配列体は好ましくは、液体窒素冷却式
多要素テルル化水銀−カドミウム〔HgCd
(Te)〕である。これはハニーウエルコーポレー
シヨン(HoneywellCorp.)ラジエーシヨンセン
ターにより製造されている。他の適当な検出器は
アーサー デー リトル アンド カンパニー
(Arthur D. Little & Co)やヒユーゲス エ
アークラフト(Hughes Aircraft)社の付属部門
たるサンタ バーバラ リサーチ センタにより
製造されている。これら検知器は非常に高い検出
能を具備して本発明におけるような測定に最適で
ある。しかし、これらを低温に冷却せねばならな
いことは不便でありそして幾つかの用途には所望
されない。従つて、室温で作動しうるピロ電気式
(pyroelectric)検出器もまた10μm付近での測
定に最適である。このような検出器の検出能は
Hg−Cd(Te)型のものより約100分の1位低い
が、CO2レーザのようなほとんどの制限のない出
力を持つ輻射源が入手しうるようになつているの
で、充分適正な散乱信号が得られることが保証さ
れる。ピロ電気式検出器はHg−Cd(Te)検出器
よりかなり安価であり、それにより作製及び作動
コストの大幅削減を可能ならしめる。ハニーウエ
ル社ラジエーシヨンセンターから「ピロ電気式検
出器及び材料についてのハニーウエル社出版物の
摘要」なる論文集が出されており、それは様々な
感知装置を示している。例えば次の2つが注目さ
れる:フエロエレクトリツクス(Ferro
electrics 、281〜285頁(1972年)「ランタン
をドープしたフエロエレクトリツクPLZTセラミ
ツクスのピロ電気的性質」;フイジカ
(Physica)61、589〜593頁(1972年)「ピロ電気
式輻射検出器におけるノイズ源」。好ましくは、
配列体の個々の検出器要素は互いに約2mm隔置さ
れ、そして10〜50個の個々の要素が30゜の散乱角
から130゜の散乱角まで約100゜にわたつての円弧
に沿つて分布される。要素がHg−Cd(Te)型検
出器であるなら、このような配列体は冷媒で冷却
されねばならない。この目的の為に、低温におけ
る液体窒素源(Hg−Cd(Te)に対しては約77
〓)がハウジング42内に検出器配列体44を取
巻いて組込まれるジヤケツト62(第3図)に供
給される。好ましくは、配列体を周囲に沿つて隔
置する円の内面は約1cmの半径を持つものとされ
る。もし検出器が冷媒で冷却されるのなら、これ
らは大気雰囲気から検出器と流通大気流れとの間
に真空を介在させることにより隔絶されねばなら
ない。これは、もつとも容易には、同心的な内側
構造体64により達成されそしてこの場合配列体
44と内側構造体64との間の部位が真空状態に
排気される。この内側構造体はゲルマニウム或い
は他の任意の赤外線透過物質製の適当な窓を含
む。 細胞を取巻く液滴の液体部分は、細胞が細胞分
類器から検出器内へとまたそこを通して通過する
際に蒸発していく。好ましくは、移送用空気流れ
の湿度は、液滴において細胞を含む液体が分類器
から検出器への細胞の移行中丁度蒸発して自由な
空気担持細胞が検出器帯域において照射を受ける
ように調節される。斯くして、細胞と共に流れる
雰囲気はどちらかというと湿り気が多くなりやす
い。万一この湿つた雰囲気が冷媒温度と遭遇した
り或いは相当程度まで冷却されたなら、凝縮が起
り易い、このような凝縮は、光散乱測定に著しく
悪影響を与えよう。この問題を回避する為に、細
胞の流れと共に検出器内に流入する雰囲気の容積
を最小限とし、同時にこの雰囲気及び細胞流れを
乾燥ガスの絶縁外包層で取巻くことが好ましい。
また、上述したように、すべての付着水が細胞を
脱水しない程度に蒸発せしめられるようエーロゾ
ル化過程を検出器から充分分離すべきである。理
想的には、各細胞の取巻く液体は、細胞が検出器
配列体に通入する直前までに蒸発ずみとされ、そ
して細胞内部の液体は細胞膜を通して発散されな
いものとされる。乾燥空気外包層は乾燥空気源6
9からカラー66を通して提供されそしてカラー
は乾燥空気を細胞流れの周囲の層状流れカラムと
して導入する。このカラム状の乾燥空気は細胞流
れを赤外線窓56から隔離する。細胞の流れ及び
それを取巻く乾燥ガスのカラム状流れは、ハウジ
ングにおける排出開口48を通してそして負圧に
於る導管68を通つて容器(図示なし)に排出さ
れる。 第3図に明示されるように、個々の細胞が輻射
ビーム52を通過する時、細胞はそのビームを散
乱せしめる。散乱光の幾らかは、検出器配列体4
4における個々の検出器により傍受される。配列
体における各検出器により生成される個々の電気
信号はケーブル88を通して爾後の電子式解析及
び記録システムに伝送される。 殊に哺乳動物細胞を考慮する時、もしデータが
寸法及び屈折率の変化に加えて構造及び表面上の
差異を相当に含んでいるなら、そのデータは現在
の解析技法水準をかなり越える解析に当つての解
釈作業を呈しよう。大きな粒が可視光線で照射さ
れる場合にはこのような事態は容易におこりう
る。もつとも重要なことには、可視光線を使用し
て生ずるこのような示差光散乱パターンにおける
細部の情報過多はあまりに細かすぎて、それらか
ら推測されうる物理的データはもはや解釈不可能
であるように思われる。このようなパターンから
顕著な粒子特性のみを取出すことは、可能である
にせよ、せいぜい徒労の大きい骨折を呈するだけ
である。 しかし、示差光散乱パターンをはるかに少ない
角度分解でもつて記録しそれにより関与する物理
的パラメータに対するデータの量が最小限に為し
うるのではないかという論議が為されるかもしれ
ない。しかし、上述した例えばブラウ等のアプラ
イドオプテイツクスにおいて呈示されたようなパ
ターンの研究により明らかにされたように、その
ような示差光散乱パターンの包絡線までが散乱粒
子の構造におけるちよつとした変化に対しても著
しく変動してしまう。斯くして、角度分解を減じ
ることはそれ自体パラメータ解釈推論問題の満足
すべき改善をもたらすことにはならない。 第4A及びB図には、10.6μmの波長を持つ単
色光輻射の垂直偏光ビーム(感知器により測定さ
れる平面に直交する平面に電気ベクトルを持つ)
により照射された高い水含量を持つ細胞に対する
コンピユータ発生示差光散乱パターンが例示され
る。第4A図における細胞は10μmの半径を持ち
そして第4B図の細胞は20μmの半径を持つ。前
者の寸法は白血球に類似し他方後者はうろこ状細
胞の寸法に近くなろう。これらの例において、4
つの異つた組成のもの、即ち粒子中の蛋白量が僅
かに異るように為された異つた組成のものが選択
された。追加的な蛋白の存在は粒子の屈折率の実
数部分のみを増大するから、選択された4つの例
はそれらの平均屈折率の実数部分におけるごく僅
かの変化を呈する: A:n=1.176+i0.084(これは10.6μmの純水即
ち空の液滴の屈折率に概算等しい) B:n=1.20+i0.084 C:n=1.25+i0.084 D:n=1.30+i0.084 各図面におけるそれぞれの曲線はそれぞれの文
字により指示される順序にある。第4C図及び4
D図は、それらのパターンが照射赤外線の水平偏
光(検知器により測定される平面と一致する平面
に電気ベクトルが在る)から得られた点を除い
て、、第4A及び4Bを与えたのと同じ粒子に相
当するパターンを例示する。 このデータが例示するように、散乱粒子におけ
る比較的簡単な構造変化は、示差光散乱パターン
に比較的簡単な変化しか生じない。小さな粒子に
対しては、約50゜における水平偏光散乱強度に対
する約40゜でのその強度はこの仮定された細胞の
物理的差異の簡単でしかも秀れた手段を提供す
る。大きな細胞に対する同様の簡単で明白な差異
は第4D図に示されている。従つて、もつと短い
波長の可視光線を使用して照射される時このよう
な細胞により生成される示差光散乱パターンはき
わめて複雑でそして関与する物理的パラメータ数
が多すぎるデータ過剰を与えるが、粒子及び照射
線が共鳴領域にあるもつと長い赤外部波長におい
て得られる対応するパターンははるかに理解が容
易でありそして解釈しやすいデータを生成する。
これにより、比較的簡単な容易に入手しうるコン
ピユータ化機器を使用して、粒子を正確に同定
し、識別しそして解析することが可能とされる。 第4A〜D図に例示されるパターンを生成する
粒子が赤外部において水にきわめて近い屈折率を
持つ、即ち高い水含量を有し従つて赤外線にきわ
めて吸収性であることを特に銘記すべきである。
にもかかわらず、それらの散乱パターンは比較的
小さいがしかし有意義な組成変化に対して明瞭な
差異を示す。屈折率の大きな虚数部の故に、この
ような差異は一般には予期しえない。従つて、当
業者は今まで、赤外線の使用を回避しそして上述
したような直観的に誤つた予測を省りみることさ
えしなかつた。 好ましい解析システムが第5図に示されてい
る。先に説明したように、細胞懸濁液の各細胞が
細胞分類器を通過する時、各細胞は検出器配列体
44により感知される示差光散乱パターンをもた
らす。第1図に示されるようなシステムの一具体
例において、これらの順次する示差光散乱パター
ン、もつと正確には検出器配列体により発生する
順次しての強度測定値は磁気テープレコーダのよ
うな記録計8により記録されそして各記録計は配
列体の各検出器に対して一つのチヤンネルを提供
する。その後、記録された出力に応じて生じる強
度変差が解析されている各細胞に対する各検出器
の最大強度を決定するべく先ず解析される。最大
強度が組合されて第4図に示されるような示差光
散乱パターンをつくり出す。 これらのパターン或いはその一部は、それらを
生みだした細胞を同定し、分類しそして特性づけ
する為の様々の方法のいずれかにより解析されう
る。例えば、第4B図を参照すると、寸法は同等
であるが蛋白組成の変化に応じて僅かに異つた屈
折率を持つ粒子が、第1ピーク(約25゜)の大き
さに対する第2ピークの大きさに基いて互いに識
別されうる。以下の表は第1の4つのピークに対
するこれらの比率をまとめたものである。
The present invention provides differential light scattering for the rapid characterization and identification of large organic cells, particularly white blood cells and other types of mammalian cells.
scattering) techniques. For this purpose, various methods and devices as well as improvements thereof have been proposed. Examples of prior art related to this case include the following. US Patent No.
No. 3624835, No. 3770351, No. 3730842, No.
No. 3754830, No. 3928140, and U.S. Patent Application No. 139366 dated May 3, 1971. There has long been a need for a method to rapidly identify and differentiate large organic particles, particularly white blood cells and other types of mammalian cells. A number of physical techniques have been proposed for this purpose, and various instruments and methods have been developed for using these techniques. Such techniques include chemical staining methods, chromatographic analysis methods, and physical methods such as automated microscopic inspection systems. All of these techniques have been severely limited in their capabilities, the density of cells that can be analyzed, and the speed of analysis. More importantly, the accuracy of many of these techniques has been shown to be questionable. The present invention is directed to methods for rapidly identifying, characterizing and differentiating cells, particularly leukocytes and other mammalian cells. The present invention uses an analytical technique known as differential light scattering. This technique has been shown to be capable of rapid and accurate analysis of microparticles. The terms "identify,""characterize," and "distinguish" cells are used to describe the scope of utility of the present invention. “Identify” means what the cell is (e.g., whether it is a polymorphonuclear white blood cell), whereas “characterize” specifies its physical properties such as size, shape, and dielectric structure. and "identify" is used to separate or differentiate between different types of cells (e.g., distinguishing sickle cells from normal red blood cells, distinguishing normal lymphocytes from abnormal lymphocytes containing contaminants, or (e.g., distinguishing cancerous squamous cells from normal cells). Many publications have described various systems that use differential light scattering techniques to analyze mammalian cell lines. Examples of such publications include Journal of Clinical Chemistry
(Journal of Clinical Chemistry), Volume 21, No.9,
1297-1304 (1975) and Acta Cytolo-gica, Vol. 19, No.
4, pp. 374-377 (1975), there is a paper titled ``Classification of Cells by Laser Light Scattering''. These papers describe systems that use monochromatic light beams to illuminate mammalian cells suspended in water. The resulting differential light scattering pattern is extremely complex. For this reason, there is no empirical method for determining which individual bands of the overall differential light scattering pattern to use to separate a sample population with one property from a population with another property. It was used. Clearly, such empirical methods are severely limited in their applicability to the various cell populations they can handle and their ability to produce meaningful results. The present invention provides methods for rapidly characterizing and identifying cells, particularly white blood cells and other types of mammalian cells. In the method of the present invention,
A polarized monochromatic illumination beam with a wavelength approximately equal to the dimensions of the cells of interest in the cell population to be analyzed is used. Individual cells of the population are illuminated by the beam, and the cells of interest generate differential light scattering (DLS) patterns. This pattern exhibits resonant scattering properties with relatively broad maxima and minima, ie, each maxima and minima extend over an angular range typically between 10 and 30 degrees. These patterns are not so simple in form or so complex in detail that little or no useful information can be derived from them. Rather, because they were generated by a resonant scattering system, these patterns possess meaningful properties sufficient to characterize the individually illuminated scatterers, particularly with respect to physical properties such as their size, shape, and dielectric structure. embodiment, thereby making it possible for scatterers to be precisely and unambiguously identified and identified. The practical application of light scattering phenomena to the identification, characterization and discrimination of large organic particles begins by bringing these particles into liquid suspension in a conventional manner. This suspension is aerosolized and in a preferred method droplets are generated. Some of these droplets will contain a single cell. The droplets are examined and droplets containing cells are separated from other droplets without cells, after which the liquid surrounding each cell is allowed to evaporate, resulting in a free flow of air-bearing cells. Each of these separated cells is sequentially irradiated with a polarized monochromatic radiation beam of wavelength approximately equal to the average size of the cells being examined. For example, for mammalian cell suspensions wavelengths in the infrared region are used. The light scattered by each cell is detected at a sufficient number of angular positions around the cell to provide a differential light scattering pattern unique to the physical properties of that cell. These series of DLS patterns are recorded and analyzed and used to identify, characterize and differentiate cells. As an example of such an analysis, the patterns generated by individual cells can be processed to determine some kind of intensity ratio, such as the ratio of the intensity of a first peak to the intensity of a subsequent peak. Then, cells having a similar number of peaks in the differential light scattering pattern are classified in multidimensional analysis based on these ratios, and cells with similar characteristics are grouped. By preparing a large number of such analysis examples of known cell types of various types, an unknown cell can be identified as one of the known cell types. The detector used to measure the differential light scattering pattern does not need to receive a uniform solid angle or be standardized to a uniform dark stream. By using the same system throughout the analysis, these differences no longer affect the results. from large particles according to the teachings presented here.
Although there are many types of equipment configurations that can appropriately measure, record, and analyze DLS patterns, there are several basic elements needed for a practical system. These include means for handling cells and introducing them into the laser beam one at a time. The laser itself is preferably a plane polarized carbon dioxide infrared source operating at about 10.6 μm, although other sources producing suitable wavelengths may be used. The laser should preferably be coplanar with the line of sight (receive line) of the 10 to 50 individual detector elements. Ideally, the number N of detector elements required in the array is determined by the wavelength λ p in vacuum, the maximum diameter D of the particles present, the refractive index n p of the medium in which the measurements are made, and the detector elements. Expressed in terms of the angular range θ that can be covered by the array, the simple formula N[2π
It is given by Dn pp +4]θ/180°. For mammalian cells irradiated with 10.6 μm infrared light,
This number is approximately between 10 and 50. Although the detector elements arranged are preferably arranged on an arc spanning 100° or more, the detector elements do not lie on an arc, are not at a distance from the scattering particles, and the measurement angle Satisfactory DLS patterns can also be obtained from other detector element configurations, such as those with ranges less than 100 degrees or those where the detectors are not equidistantly spaced. The present invention will be explained in detail below. In order to understand the present invention, it is important to first understand differential light scattering. Although the basic concept of differential light scattering has been explained in many patents and publications, particularly those by the present inventors, it is briefly stated that it is a method of polarized light scattering to illuminate one or more particles. Use a monochromatic light source. Particles scatter radiation in a manner that is unique to their physical properties such as size, shape, and dielectric properties. The pattern of scattered light is sensed by rotating one collimated detector around the scatterer or using an array of multiple fixed detectors. The measured intensity can be recorded as a function of detector angle to plot the differential light scattering pattern. Such differential light scattering patterns may contain a great deal of information about the scatterer, or they may provide little to no information about the scatterer. For example, if the size of the particle is very small relative to the wavelength of the illumination beam, little to no change will be exhibited in the intensity of the scattered radiation as a function of the measurement angle around the particle. On the other hand,
If the particle size is very large relative to the wavelength of the illumination beam, the scattering pattern will exhibit a large number of maxima and minima. Interpreting such patterns in order to derive significant particle characteristics from them is a major challenge. This analysis task can be greatly simplified by adjusting the wavelength of the illuminating monochromatic light source to be approximately equal to the overall size of the irradiated particles. When such approximate equivalence exists, i.e. when the particle is in the resonance region with the illuminating light, the resulting differential light scattering pattern still exhibits maxima and minima, but many features that are directly correlated to the structure of the particle It is not so complicated that the analysis work would be a waste of effort because it is expressed in such detail. The use of resonant scattering techniques is highly significant.
The differential light scattering pattern is a complex function of the size, shape, orientation and structure of the particles and the polarization and wavelength of the incident radiation. The most important scattering parameter is the normalized dimension, ρ=πDn pp =ka (1) where a: average particle radius D (=2a): average particle diameter λ p : vacuum wavelength n of the incident beam p : refractive index of the medium surrounding the particle. Although variations in the dimension parameter ρ have a large effect on the corresponding differential light scattering pattern, the dimension itself is important for distinguishing abnormal cells from normal cells,
As a parameter for distinguishing one type of red blood cell from another, or one type of pollen from another, it is one of the least important and most ambiguous parameters. In addition, the size distributions are permanently overlapping. As ρ becomes very large, the differential light scattering pattern becomes full of additional peaks of little analytical significance. If a DLS pattern is recorded by an array of N detector elements, the optimal number of these detectors arranged over the entire angular range from 0° to 180 is simply given by : N2ρ+4 (2) In other words, from intensity data recorded at N well-spaced positions over a 180° range, the DLS pattern between these positions can be interpolated with great accuracy. . The angular range of interest is this
If it is less than 180°, then the number of detector elements can be reduced accordingly by the ratio of that angular range to 180°. Incidentally, for a particular measurement using such an array to sense a DLS pattern, the maximum number of detector elements required will depend on the size of the largest grain of interest to be measured. fully specified by Thus, N should always be chosen to be approximately 2ρ nax +4, where ρ nax is the expected normalized size of the largest of the grains of interest in the suspension being examined. Average diameter illuminated by infrared wavelength of 10.6μm
For a 60 μm airborne scale cell, the optimal number of detector elements is approximately 2π60/10.6+440 (3). At large scattering angles, internal organization or structure plays an important role in determining changes in scattering properties. In fact, this fact was previously pointed out by the inventor (Applied Optics Vol. 7, pp. 1879-1896, 1968).
Year). This fact is confirmed by the Los Alamos Scientific Laboratory.
This became the basis for extensive differential light scattering research conducted at the Laboratory. It was hoped that by using even larger angle differential light scattering measurements, it would be possible to differentiate between similar types of mammalian cells. These measurements were made using a He--Ne laser operating at a visible wavelength of 632.8 nm. Such wavelengths are extremely small compared to the average size of the scale cells being examined. Although some results have been reported, these measurements using such short wavelengths have reached their ultimate limit and no further progress can be made. The reason for this is obvious. At large scattering angles, the differential light scattering pattern for such large values of ρ depends closely on ρ through the following parameters: ξ = ρ (4) (Here it is the average refractive index of the scattering particles divided by n p .) Since different types of mammalian cells are expected to have slightly different values ( Some degree of separation based on the ρ measurements is to be expected (although importantly they fall into domains of different dimensions). Although the reported distinction using "cluster algorithms" is fortuitous, it would be almost impossible to distinguish between cells with comparable ρ values. Although he was aware of the importance of using long wavelength radiation, problems associated with infrared radiation prevented him from even attempting it. The present invention provides that the identification and characterization of mammalian cells and other large organic grains by differential light scattering techniques can be accomplished using infrared radiation at these resonant wavelengths of the irradiated grains. This is based on the recognition that the dimensions are practical because they correspond to the wavelength of the irradiating radiation. This may be explained by considering the two remaining dimensional relationships: when the particles are very small compared to the irradiating radiation, and when the particles are very large compared to the irradiating radiation. In the former case, for example using microwave radiation, it can be shown that there is no angle-dependent variation in the scattering intensity. Therefore, intensity measurements only need to be made at one arbitrary angle. The absolute scattered intensity from a single small particle cannot be used to classify or separate particles, even if it can actually be measured. This is because such measurands are ambiguous. ie, a single intensity measurement cannot be associated with a particular class of mammalian cells. A slightly different normalized dimension, ρ, is easily compensated for by a variation in the average relative refractive index, and vice versa. Moreover, slight structural or geometrical differences between different types of cells have no single measured effect on the scattered intensity, and therefore these differences are also undetectable. In the latter case, for example using visible light, when the grain dimensions are very large compared to the wavelength of the illuminating radiation, the differential light scattering pattern will scatter more than is needed to explain the important structural properties of the grain. Excessive details of light. An example of such patterns and the intricate details they exhibit can be found in Applied Optics Vol. 9, (1970).
This is shown in the paper "Scattering by Individual Transparent Spheres" published from page 2522 onwards. The plethora of data for each measurement presented therein comes from a very simple scattering device: a spherical droplet of uniform dielectric structure is exposed to polarized monochromatic radiation at a wavelength of approximately 1/100 of the particle size. irradiated. The present invention is intended for the rapid identification, discrimination, and characterization of cells that are extremely large compared to the wavelengths of visible light, particularly mammalian cells of various types. These cells often contain a membrane of one dielectric tissue surrounding an interior of another dielectric tissue, and these may further contain various grains or anomalies of another dielectric tissue. There is. The shapes and dimensions of these various tissues are often non-circular, and some are platelet-like, for example. If visible light irradiation, i.e. radiation whose wavelength is very small compared to the average diameter of these particles, were used to obtain a differential light scattering pattern for such particles, a very large number of maxima and minima would occur in this pattern. In addition to appearing redundantly, even small changes in some of these tissue properties result in very large changes in the scattering pattern. The foregoing indicates that attempts to use such complex differential light scattering patterns to discriminate between grains with different compositions are near futile. As previously mentioned, the present invention provides a method for rapidly identifying and differentiating large organic cells, particularly mammalian cells. Such cells typically range in diameter from a few micrometers to around several tens of micrometers. These cells include red blood cells, white blood cells and scaly cells. For example 10 such individual cells
When illuminated with a polarized monochromatic light beam of wavelength on the order of μm, broad maxima and minima appear in the differential light scattering pattern produced by this system. This relationship, where the grain size is in the so-called resonance region, is
It produces patterns with properties that are much more easily correlated to structural differences in the scattered object. Moderate changes in the average properties of the grains result in noticeable changes in the pattern over a certain angular range, but for grains of comparable size the overall pattern is very similar in shape. Moreover, such patterns contain sufficient detail to allow accurate characterization and identification of various grains, but do not contain enough detail to obscure or preclude accurate mathematical interpretation of the physical properties of the scattered objects. does not contain a lot of unnecessary information. The recognition that the wavelength of the irradiation beam and the irradiated grain should have approximately equal size makes practical the rapid and unambiguous characterization and identification of mammalian cells and other large organic cells. It also provides a relatively simple yet highly practical method for accomplishing such analysis. The need for this relationship dictates the use of infrared lasers for the analysis of mammalian cell lines. Mammalian cells contain and are usually surrounded by an aqueous fluid. This presents significant difficulties. The absorption number of water is very large in the infrared region. Thus, water, which is normally present within or surrounding cells, plays an important role in resonant differential light scattering measurements from mammalian cells.
When an aqueous suspension of cells is irradiated with infrared radiation, one would expect attenuation of the irradiation beam on the order of 90% or more within a distance as small as the dimensions of the cells. Moreover, such attenuation would adversely affect the radiation scattered by the cells by severely distorting and attenuating the scattered waves emerging from the suspension. Therefore, it is not surprising that the field of differential light scattering and infrared measurements had long ago given up on the possibility of making meaningful DLS measurements from such large organic particles at these wavelengths. do not have. However, the well-established idea that attenuation by water within the water envelope or the air-bearing cells themselves precludes the practical application of infrared radiation appears to be spurious. Recognizing that scattering of radiation by objects in the resonance region is generally not governed by geometric-optic attenuation relationships, expected scattering properties were measured for water-supported particles in the infrared resonance region. These show conclusively that such particles can be identified by their DLS patterns if they are surrounded by a gas such as air that does not strongly absorb infrared radiation. For this reason, it is preferable to accomplish cell scattering measurements in a gaseous atmosphere. Although air is used as the gas in the preferred configuration just described, it should be understood that any of a variety of other gases may be used if desired. Furthermore, analysis can also be accomplished in vacuum if the grains of interest can maintain their texture in a vacuum atmosphere. Also, if an infrared transparent fluid is found, measurements can also be accomplished in such an atmosphere. If only a very thin layer of water coats the cells, measurements can be easily achieved. As previously mentioned, the practical application of resonant scattering phenomena to relatively large organic particles such as mammalian cells or pollen particles requires the use of polarized infrared radiation at wavelengths of about 10 μm. In summary, cells or particles are first aerosolized and then transported through the detector array by a laminar flow of drying gas. A detector array consisting of N(2ρ nax +4) individual detector elements is:
As the individual particles pass through the collimated laser beam, they experience a DLS pattern with an angular range of approximately 100° generated by the individual particles. The laser beam is preferably coplanar with and perpendicular to the detector array element. Some detectors must be refrigerant cooled and isolated from the dry gas flow by an insulating cylinder containing a window made of an infrared transparent material such as germanium. As the grain passes through the laser beam, it passes through the period D/
A spherical wave pulse of V (where D is the beam diameter and V is the particle/flow velocity) is generated. The individual detector elements convert the pulses they receive into electrical signals, which are then intensified and preferably stored as digital signals in computer memory or on tape. These N2ρ nax +4 stored signals can be used to reconstruct continuous DLS patterns from grains by interpolation using Tievisieb polynomials or related techniques, or the stored signals can also be used directly. The angular spacing of the individual elements may be equidistant. However, for some types of subsequent analysis, the Tievisieb polynomial T N-
It would be preferable to space the detectors according to the N-root position of 1 (X), where N = number of detector elements, (θ 2 +
θ 1 )/2], θ 1 and θ 212 ) are
(defines the angular range over which the DLS pattern is recorded). Once the DLS patterns, or the array data points from which such patterns are reconstructed, have been stored, these patterns can be processed by various algorithms so that each grain can be identified or otherwise characterized accordingly. can be analyzed. It has been found that a most practical algorithm is based on a characterization method that first classifies the grains into sets of equal size. The average grain size is between the two angular limits
It can be adequately evaluated by counting the number of DLS peaks or by measuring the angular position of a particular peak in the forward direction. Since such inferred size parameters are not a definitive means for identification or discrimination, their exact values are not important as long as grains of the same effective size are compared with each other. all of the grains in a given set have effectively the same dimensions,
For example, grains can be structurally and physically distinguished from each other by various classification algorithms if they are found to have the same number of peaks in two angular limits. These algorithms are given DLS
DLS by comparing various ratios of patterns
Patterns can be characterized. For example, the ratio of the heights of several DLS peaks in a given angular range to the height of the first peak in that range is a useful set of discrimination parameters, as detailed below. Other ratios include ratios associated with functionally complex displays based on different peak-to-trough values and the different peak heights and valley depths present. All such ratios are a function of the dielectric properties of the scattering grains and can be used to characterize each grain. Once such ratio characterizations have been realized for each of the constant size groups present, they are further processed by a storage catalog of these ratios stored in the computer memory of the system's analytical processor. Parsed. The distribution of such scattering pattern ratios as a function of grain size represents another important means for identifying, characterizing, and discriminating grains. As shown in Figure 1, the suspension of cells to be analyzed was found in the article by WABonner et al. published in Rev.Sci.Instruments, pp. 43, 404 et seq. A cell sorter 2 similar to that described in "Fluorescent Activated Cell Sorting" is fed to a cell sorter 2 similar to that described in "Fluorescent Activated Cell Sorting". The sorter breaks up a liquid suspension of cells into a group of individual droplets, each droplet being of sufficiently small size to not contain more than one cell or particle. As explained in detail later in Figure 2,
These droplets are electrostatically charged, illuminated by a beam of light to determine whether they contain particles, and then sorted by electrostatic deflection to produce a droplet stream containing only cell-bearing droplets. Ru. This droplet stream 4 is fed to a detector system 6. The detector system illuminates each droplet with a polarized monochromatic beam, preferably an infrared laser at a wavelength of 10.6 micrometers. The scattered light sequentially scattered by each cell is measured by a sensor system, preferably a group of sensor arrays incorporated within the detector 6. The output electrical signal from the detector is transmitted into a recording device 8, such as a magnetic tape recorder, and stored therein. The stored data is then analyzed by a computer analyzer. After sufficient particles have been analyzed, a computer compiles the results and provides output in the form of tape, disk, or hard copy, as described below. FIG. 2 illustrates details of the sorter and detector.
As described in the above-mentioned article, a liquid suspension of cells passes through an orifice 22 in a tube 24 to produce a series of droplets 26. Each droplet is charged by an ionization source. Individual droplets are illuminated by beam 28 and the scattering intensity from each droplet is sensed by detector 30, amplified and transmitted to analyzer 32. Analyzer 32 provides an electrical potential to a set of electrostatic deflection plates 34 in a controlled manner. The droplet stream passes between the plates of this electrostatic deflection device. The scattering generated by successively falling droplets and measured by detector 30 is analyzed to determine the presence or absence of cells within the droplet. Depending on the results of the analysis, the analyzer energizes a set of deflection plates to electrostatically deflect cell-free droplets 36 from the flow. The remaining droplet 38, ie the droplet containing the cells or particles, passes to the detector system. The detector system includes a housing or scattering chamber 4
2. Sensor array 44, inlet 46 and outlet 4
Contains 8. A radiation source 50, preferably a laser, generates a monochromatic beam of light, preferably plane polarized infrared light 52. The beam enters housing 42 through a window 56 in an aperture 54 thereof and passes through the housing to a Rayleigh horn or light trap 58. Preferably, the axis through which the beam passes lies in the plane of the detector array 44 and is perpendicular to the droplet flow down axis. However, as will be seen later, this relationship is not an essential requirement for the operation of the present device. The detector array is preferably a liquid nitrogen cooled multi-element mercury-cadmium telluride [HgCd
(Te)]. It is manufactured by HoneywellCorp. Radiation Center. Other suitable detectors are manufactured by Arthur D. Little & Co. and the Santa Barbara Research Center, a division of Hughes Aircraft. These detectors have very high detection capabilities and are ideal for measurements such as those in the present invention. However, having to cool them to low temperatures is inconvenient and undesirable for some applications. Therefore, pyroelectric detectors that can operate at room temperature are also suitable for measurements near 10 μm. The detection power of such a detector is
It is about 100 times lower than that of the Hg-Cd(Te) type, but as radiation sources with almost unlimited power, such as CO 2 lasers, are becoming available, adequate scattering can be achieved. It is guaranteed that a signal will be obtained. Pyroelectric detectors are significantly cheaper than Hg-Cd(Te) detectors, thereby allowing for significant reductions in manufacturing and operating costs. The Honeywell Radiation Center has published a collection of papers entitled ``Summary of Honeywell Publications on Pyroelectric Detectors and Materials,'' which presents a variety of sensing devices. For example, the following two are noteworthy: Ferro Electrics (Ferro Electrics)
electrics 3 , pp. 281-285 (1972) "Pyroelectric properties of lanthanum-doped ferroelectric PLZT ceramics"; Physica 61 , pp. 589-593 (1972) "Pyroelectric radiation detectors" ``Noise sources in''. Preferably,
The individual detector elements of the array are approximately 2 mm apart from each other, and 10 to 50 individual elements are distributed along an arc spanning approximately 100° from a scattering angle of 30° to a scattering angle of 130°. be done. If the element is a Hg-Cd (Te) type detector, such an array must be cooled with a refrigerant. For this purpose, a liquid nitrogen source (Hg−Cd(Te) of approximately 77
) is supplied to a jacket 62 (FIG. 3) which is incorporated within the housing 42 and surrounding the detector array 44. Preferably, the inner surfaces of the circles circumferentially spacing the arrays have a radius of about 1 cm. If the detectors are cooled with a refrigerant, they must be isolated from the atmospheric atmosphere by interposing a vacuum between the detector and the circulating atmospheric flow. This is most easily accomplished with a concentric inner structure 64, in which case the area between the array 44 and the inner structure 64 is evacuated to a vacuum. The inner structure includes a suitable window made of germanium or any other infrared transparent material. The liquid portion of the droplet surrounding the cells evaporates as the cells pass from the cell classifier into and through the detector. Preferably, the humidity of the transfer air stream is adjusted such that the liquid containing the cells in the droplet evaporates just during the transfer of the cells from the classifier to the detector, so that the free air-bearing cells are irradiated in the detector zone. be done. Thus, the atmosphere flowing with the cells tends to be rather humid. Should this humid atmosphere encounter refrigerant temperatures or be cooled to a significant degree, condensation is likely to occur, and such condensation would significantly adversely affect light scattering measurements. To avoid this problem, it is preferred to minimize the volume of atmosphere flowing into the detector with the cell flow, while simultaneously surrounding this atmosphere and the cell flow with an insulating envelope layer of dry gas.
Also, as mentioned above, the aerosolization process should be sufficiently isolated from the detector so that any adhered water is evaporated without dehydrating the cells. Ideally, the liquid surrounding each cell would be evaporated just before the cell passes through the detector array, and the liquid inside the cell would not evaporate through the cell membrane. The dry air outer layer is a dry air source 6
9 through collar 66 and which introduces dry air as a laminar flow column around the cell flow. This column of dry air isolates the cell flow from the infrared window 56. The flow of cells and the surrounding columnar flow of drying gas are discharged through a discharge opening 48 in the housing and through a conduit 68 at negative pressure into a container (not shown). As clearly shown in FIG. 3, as individual cells pass through the radiation beam 52, they cause the beam to scatter. Some of the scattered light is transmitted to the detector array 4
4 are intercepted by individual detectors at 4. The individual electrical signals produced by each detector in the array are transmitted through cable 88 to a subsequent electronic analysis and recording system. Particularly when considering mammalian cells, if the data contain significant structural and surface differences in addition to dimensional and refractive index changes, the data are amenable to analysis well beyond the current level of analytical techniques. Let us present the task of interpretation. This situation can easily occur when large particles are irradiated with visible light. Most importantly, the information overload of details in such differential light scattering patterns produced using visible light appears to be so fine that the physical data that can be inferred from them is no longer interpretable. It can be done. Extracting only the salient grain characteristics from such a pattern, while possible, is at best a laborious undertaking. However, an argument may be made that differential light scattering patterns could be recorded with much less angular resolution, thereby minimizing the amount of data for the physical parameters involved. However, as revealed by the study of patterns such as those presented in Applied Optics by Blau et al. mentioned above, the envelope of such a differential light scattering pattern is characterized by small changes in the structure of the scattering particles. It also fluctuates significantly. Thus, reducing the angular decomposition does not in itself result in a satisfactory improvement of the parameter interpretation inference problem. Figures 4A and B show a vertically polarized beam of monochromatic radiation with a wavelength of 10.6 μm (with an electric vector in a plane perpendicular to the plane measured by the sensor).
A computer-generated differential light scattering pattern is illustrated for cells with high water content illuminated by . The cells in Figure 4A have a radius of 10 μm and the cells in Figure 4B have a radius of 20 μm. The dimensions of the former will be similar to white blood cells, while the latter will be closer to those of scaly cells. In these examples, 4
Two different compositions were selected, ie, different compositions in which the amount of protein in the particles was slightly different. Since the presence of additional protein increases only the real part of the refractive index of the particles, the four selected examples exhibit negligible changes in the real part of their average refractive index: A: n=1.176+i0. 084 (This is approximately equal to the refractive index of 10.6 μm pure water, i.e., an empty droplet) B: n = 1.20 + i0.084 C: n = 1.25 + i0.084 D: n = 1.30 + i0.084 The curves are in the order indicated by their respective letters. Figures 4C and 4
Figure D is identical to those given in Figures 4A and 4B, except that their patterns are obtained from horizontal polarization of the illuminating infrared radiation (with the electric vector in the plane coinciding with the plane measured by the detector). An example of a pattern corresponding to the same particle is shown below. As this data illustrates, relatively simple structural changes in the scattering particles result in relatively simple changes in the differential light scattering pattern. For small particles, the horizontally polarized light scattering intensity at about 50° versus its intensity at about 40° provides a simple yet elegant means of this postulated cellular physical difference. A similar simple and obvious difference for large cells is shown in Figure 4D. Therefore, the differential light scattering patterns produced by such cells when irradiated using short wavelength visible light are extremely complex and the number of physical parameters involved gives rise to a data overload; When the particles and radiation are in the resonance region, the corresponding patterns obtained at long infrared wavelengths are much easier to understand and produce data that are easier to interpret.
This allows particles to be accurately identified, differentiated and analyzed using relatively simple and readily available computerized equipment. It should be particularly noted that the particles producing the patterns illustrated in Figures 4A-D have a refractive index very close to that of water in the infrared, i.e. have a high water content and are therefore very absorbent in the infrared. be.
Nevertheless, their scattering patterns show distinct differences for relatively small but significant compositional changes. Due to the large imaginary part of the refractive index, such differences are generally not expected. Therefore, until now, those skilled in the art have avoided the use of infrared radiation and have not even considered the intuitively incorrect predictions described above. A preferred analysis system is shown in FIG. As previously explained, as each cell of the cell suspension passes through the cell classifier, each cell produces a differential light scattering pattern that is sensed by detector array 44. In one embodiment of a system such as that shown in FIG. It is recorded by recorders 8 and each recorder provides one channel for each detector in the array. The intensity variations that occur in response to the recorded output are then first analyzed to determine the maximum intensity of each detector for each cell being analyzed. The maximum intensities are combined to create a differential light scattering pattern as shown in FIG. These patterns, or portions thereof, can be analyzed by any of a variety of methods to identify, classify, and characterize the cells that gave rise to them. For example, referring to Figure 4B, particles of similar size but with slightly different refractive indices depending on changes in protein composition show that the magnitude of the second peak relative to the magnitude of the first peak (approximately 25°) can be distinguished from each other based on their The table below summarizes these ratios for the first four peaks.

【表】 このような異つたピーク比に基いてこの表が容
易に示すように、同寸ではあるが僅かに異つた物
理的性質を持つ粒子は容易に区別されうる。斯く
して。哺乳動物細胞の懸濁液中に存在するような
様々な寸法及び様々な組織を持つ粒子間の識別を
為す為には、様々は個々の粒子から生じる示差光
散乱パターンは先ずそれらが呈するピークの数に
より分別され、そしてこの分類作業は得られたパ
ターンをほぼ同寸の粒子から生じた散乱パターン
毎の組に分ける。このような粗い寸法別分類後、
ほぼ同寸の粒子は互いに比較される。これら粒子
の第1識別として、第1ピークの強度が標準値と
して使用されそしてこの第1ピークに対する第2
ピークの強さの比が単なる寸法別の分類より一層
正確な分類として使用される。実際上、上述した
ように、白血球は多数の異つた細胞型式を含んで
おり、そしてこれら様々の型式の細胞は約8μm
におけるリンパ細胞から約18μmにおける顆粒球
まで様々な寸法をとる。これら細胞の相当数の寸
法はおおよそ等しく、例えば12〜13μmのオーダ
にある。このような粒子は、垂直偏光単色赤外線
で照射される時それらの光散乱パターンにおいて
約4〜5のピークを持ちうる。もし第1ピーク対
第2ピークの比が簡単な2次元解析においてこれ
ら粒子を識別するのに使用されるなら、様々の重
なりあうガウス分布がこの狭められた寸法範囲に
おける白血球型式の重なり合い分布に一般に従つ
てもたらされる。これらの分布を更に識別する為
に、各順次するピーク比が多次元ベクトル解析に
おいて使用されうる。このような作業は手作業に
よつても達成されうるが、例えば適当にプログラ
ムを組まれた電子式コンピユータを使用して同様
の特性のサンプルを分類する為の代表的な多次元
ベクトル空間分割解析のような標準的パターン認
識技術を使用するのが一層好都合である。このよ
うな解析手法は当業者には良く知られておりそし
て今日では多次元配列を使用して複雑なデータを
分類するのに常套的に行われている。 多数の細胞が解析される場合或いは何らかの理
由で手作業により細胞の同定及び分類を達成する
のが不都合である時、第5図に示されるような電
子システムが使用されうる。このシステムにおい
ては、検出器配列体44の各検出器の出力が好ま
しくは対数増幅器72に供給される。 対数増幅器72により達成されるような、各検
出器において発生する光強度の線型関数である各
検出器出力信号を対数値に変換することにより、
システムの動的範囲はデイジタルデータ処理要件
を増大することなくかなり広げられる。加えて、
例えば比率を比較するには単に対数値を引算すれ
ばよいだけであるから、データの処理及び比較は
相当に簡略化される。他方、廉価なデイジタル計
算機の急速な出現に伴い、一層複雑な演算作業を
追加的に処理する線型増幅器の使用も等しく魅力
的である。これらの別個の対数乃至線型増巾器の
応答は先ず一様な強さの光を配列体の検出器のす
べてに同時に投射しそして後すべてが同じ出力を
発生するよう増幅器を調整することにより標準化
されうる。 検出器の標準化は、もし個々の検出器の利得間
の絶対差が測定されそして爾後の演算修正の為に
記憶されるなら必要とされない。別様には、ある
一つの粒子により発生される強度設定値を基準設
定値として使用しそしてそれにより続いての設定
値のすべてを標準化乃至修正するようにもでき
る。 先に論議した赤外線感応性検知器配列体の各検
知器の直線性は秀れているから、標準化調整を経
ての対数増幅器の出力は、それぞれの検出器に衝
突する照射の各強度の対数を正確に表す。これら
の対数増幅器はアナログ、デバイス社製の機器No.
755を使用しうる。これらそれぞれの出力はサン
プル及びピーク検出器74に伝送される。ピーク
検出器は例えばブユル ブラウン社製機器No.4084
となしうる。 弁別器76が一番小さい角度の検出器の出力を
供給する対数増幅器に連結される。この低角度検
出器により発生する強度は粒子の通過に応答して
変化するので、この変化が弁別器により記録され
る。弁別器76はまた、ピーク検出器74に接続
されそして先の解析サイクルが完了しそして次の
サイクルが開始されるまでそれらをクリヤー状態
に保持する。これは、粒子が単色光輻射線のビー
ムを通過していることを示すに充分の所定の水準
を越える最低角度の検出器に接続される対数増幅
器の出力の強さによりトリガされる。粒子がビー
ムを通過する際、各検出器の出力は変化し、最大
値に達し、これがそれに接続されるピーク検出器
74により記憶される。これらの記憶された強度
は、検出器の様々の順次せる角度においてその粒
子により発生せしめられる示差光散乱パターンの
強度に対応する。粒子がレーザビームから外へと
通過すると、最低角度検出器により感知される強
度は減じて消える。弁別器76はこの減少してい
く強度に応答しそして接続ライン80を経て制御
論理回路78を動作せしめる。制御論理回路78
は結局アナログ−デイジタル変換装置82を動作
する。A/D変換装置82は各ピーク検出器74
にマルチプレクサ84によつて順次接続される。
このようなマルチプレクサ及び変換装置は例えば
ブユル ブラウン社からデータ取得ユニツト
MP8126として入手しうる。 この処理の結果として、ピーク検出器の各々に
記憶された対数化アナログ信号はデイジタル表示
に変換される。デイジタル表示は好ましくはモト
ローラ社により製造されるようなエミツタに結合
論理素子により形成される記憶装置86に伝えら
れて、ここで順次して記憶される。従つて、記憶
装置内には、配列体44における順次せる検出器
の各々により感知された散乱光強度の最大値のデ
イジタル表示が記憶される。この操作後、制御論
理回路78は弁別器76に信号を送つて次の新し
いデータを受入れることを許容ならしめる。 好ましい具体例において、記憶装置86はマイ
クロプロセツサ88に接続される。マイクロプロ
セツサは存在するピークの数を調べる為記憶装置
内に記憶されているデイジタル情報を巡回するこ
とによりデータを調べ、そして検出器の数と間隔
が所望の精度を与えるに不充分なら数学的補間を
使用する。この調査は、このようなピークの数、
位置及び値を表すデイジタルシーケンス出力をも
たらす。もつと詳しくは、マイクロプロセツサ
は、例えば測定された第1ピークの強さに対する
測定された第2ピークの強さの比を決定するべく
データを解析して第1の比率値を生みだし、その
デイジタル表示がマイクロプロセツサにより保持
される。同様の方式で、マイクロプロセツサは順
次するピーク比を決定するべく記憶装置内に貯え
られたデータを処理し、それにより先ず第1に検
出器配列体により丁度感知された粒により発生し
た示差光散乱パターンにおけるピークの数を、次
いで表に呈示した比率値のようなこの粒子の幾
つかのピーク比率値を示すデイジタル出力をもた
らす。 マイクロプロセツサ88及び制御論理回路78
は共に、モトローラ社或いはテキサス インスト
ルメント社により製造される両極性高速ビツトス
ライスマイクロプロセツサ(例えばモトローラマ
イクロプロセツサNo.MC10800)を使用しうる。
このマイクロプロセツサは上述したような順序解
析或いは他の所望の解析を達成するべくプログラ
ム化可能な読み出し専用メモリにより制御され
る。 生じるデイジタルデータの流れは、デイスク型
データ記憶ユニツト90に記憶されるが、ビデオ
端末装置92に表示されるか或いはプリンタ94
によりハードコピーアウトプツトとして出力され
る。或いはもつと大型の記憶装置に記憶される。
記憶装置、ビデオ端末装置及びプリンタは、マイ
クロプロセツサに直接接続されうるが、好ましく
はデータの更に追加的な解析がミニコンピユータ
96により達成される。この中央処理装置は先ず
データをデイスクデータ記憶ユニツト90に伝送
せしめる。その後、処理装置は記憶されたデータ
を例えば多次元ベクトル空間分割解析プログラム
或いは既に記載したような他の適当なソーテイン
グアルゴリズムにより解析して、システムに供給
された懸濁液中に存在する様々の細胞の型式のビ
デオ表示を端末装置92上に表示し、そしてこの
表示は使用者の指令に応じてプリンタ94により
印刷される。ミニコンピユータ96は例えばデイ
ジタルクイツプメント社のPDP11−20である。も
ちろん、他の様々のコンピユータシステムがこの
解析をきわめて申し分のない態様で達成しえよ
う。 物体により散乱された光を実質上の円弧に沿つ
て測定する為検出器或いは検出器配列体を使用す
る多くの従来システムは、検出器或いは検出器配
列体を測定円弧全体を通して物体から一定の半径
距離に維持することの重要性を強調している。前
述したように、本発明方法において検出器配列体
を使用することが好ましい。一定半径距離を維持
するというこの要件は配列体に重大な制限を課す
る。装置は適当な半径及び長さの円弧を形成する
よう作製されねばならないだけでなく、従来から
の教示に従えば検出器配列体の各要素の感度はき
わめて一様でなければならない。このような制限
は、検出器配列体の価格及びそのような一様性を
達成しそして維持する為に必要とされる関連電子
システムの価格を著しく増大する。 この要件に対する理由は、光の強さが散乱物体
からの距離の平方に逆比例して減少する為であ
る。斯くして、もし検出器配列体が使用されそし
て配列体における検出器のすべてが一様に放射光
を出す物体から正確に同じ距離にないなら、配列
体の要素に当る光強度は同等でない。更に、要素
の表面積はそれらが同じ立体角の輻射線を受取る
よう正確に同じでなければならない。これらはす
べて、照射された物体による散乱を一様にする為
配列体における各検出器の応答の一様性を実現す
る為である。このような一様性を実現して始めて
第4図に例示したような光散乱パターンが達成さ
れる。 本発明の重要な様相は、このような一様性が検
出器配列体において存在する必要がないことにあ
る。実際上、検出器配列体はハウジングの内部に
沿つて配置される多数の直線状区画体から構成さ
れうる。このような直線状区画体は第6図に示さ
れるように形づくられる。もちろん、所望ならも
つと多くの或いは少い数の区画体が使用でき、そ
してそれらは様々の他の様式においても形づくら
れうる。配列体の散乱物体から異つた半径距離に
ある隣りあう要素即ち検出器の各々は、異つた立
体角において散乱光を受取る。加えて、これら検
出器は同じ平面にある必要はない。配列体におけ
るこれらの差異は配列体を構成する検出器により
感知される光の強度の相当の歪みをもたらす。こ
の歪みは歪みのない散乱パターンの簡単な変形で
あると考えることができる。しかし、このような
変形は分析細胞の誤つた特性づけをもたらしはし
ない。実質上同等の細胞各々により散乱された光
は変形されてはいるが実質上同等の散乱パターン
をもたらし、それがデータ処理装置に供給され
る。同様に、異つた特性の細胞は、同じように変
形された相応的に異つた散乱パターンをもたら
し、これがデータ処理装置に供給される。識別、
特性づけ、或いは同定目的の為には、配列要素間
にそして検出器ハウジングの通過に際して照射さ
れた同等の粒子からデータ処理システムに伝送さ
れる応答間に一貫性を確立しそして検出器ハウジ
ング内で照射されている異つた細胞に対してプレ
プロセツサに適用される変形散乱パターン間に差
異を確立しさえすればよい。第6図に示されるよ
うな様々の直線状検出器区画体から構成される検
出器配例体は真の散乱パターンの変形をもたらし
はするけれども、その変形されたパターンはまだ
尚、実質上同等の細胞が照射される結果としては
実質上同等の光散乱パターンがプレプロセツサに
供給される結果をもたらしそして実質上異つた細
胞に対しては実質上異つたパターンが処理システ
ムに供給される結果をもたらす。斯くして、シス
テムはまだ尚、実質上同等の細胞を相関づけそし
て同等でない細胞間の識別を行うことができる。
この理由の為、検出器配列体の価格及び構造の簡
格化における相当の節減が、本発明の主なる目
的、即ち哺乳動物細胞、花粉や真菌植物胞子のよ
うな他の大きな粒子の迅速にして明確な識別、特
性決定及び同定を達成するに際して実現される。 粒子の同定と識別の為に測定される変形DLSパ
ターンは多くの異つた型式を持ちうるものであり
そして多くの異つた方法で測定されうることを銘
記すべきである。検出器配列体はこの目的の為に
望ましいとは云え絶対的なものではない。DLSパ
ターンを測定しそして記録する為の別の方法も存
在する。照射源が粒子流れと共軸関係にあるな
ら、単一の検出器でもつて連続配列体のDLSパタ
ーンを合成しうる。そのような構成が第7図に例
示されている。照射ビーム102は細胞106の
落下行路に沿つてビームを差向けるよう寸法づけ
られた鏡104により反射される。各細胞が検出
器ハウジング108内に入ると、細胞は単一の検
出器110の受光場に入る。細胞のハウジングを
通しての移行中、細胞からの散乱光は検出器11
0により連続的に受取られる。斯くして、検出器
の出力は、細胞がハウジング内に通るに際して検
出器により受取られる最小角度から細胞がハウジ
ングから出ていくに際して受取られる最大角度ま
で細胞により散乱される光の連続的表示となる。
この表示が時間の関数として(従つて散乱角の関
数として)プロツトされる時その細胞の示差光散
乱パターンとなりそして先に記載した解析システ
ムにおいて使用されうる。細胞が鏡104に近づ
くと、細胞は空気噴流器112からの噴流により
溜め114内に偏向される。 示差光散乱パターンを測定する為の別の方法
は、単一の回転式検出器を使用するものである。
この単一の検出器が直交照射ビームを通しての粒
子の移行時間より短い期間粒子のまわりに回転す
るように為されるなら、充分のDLSパターンが得
られよう。このような形態は、サイエンス Vol
190、10月、1975、375〜377頁に掲載された「光
学的共鳴における光散乱による粒状物の精密測
定」なる論文に記載されている。更に別法として
は、粒子は電磁気的に捕捉されそして個々に走査
されるような方法もある。これについては米国特
許第3754830号を参照されたい。 爾後の数学的解析の為に、このようなDLSパタ
ーン乃至その一部はデイジタル表示に変換されう
る。既に論議したようにそしてここで再度強調す
るに、このようなパターンはN個の係数(N2
ρ)により或いは関心のある角度範囲にわたつて
のN個の個々の強度値により充分特性づけられう
る。デイジタル目的の為には、このようなDLSパ
ターンをN個の係数に関して記憶するのが恐らく
もつとも経済的であろう。これらに基づいて後に
DLSパターンが復元されうる。これは、上述した
型式の単一検出器形態からもたらされた合成連続
配列体から得られたDLSパターンのデイジタル記
憶に相当するはるかに多くの数組よりもはるかに
経済的である。 以上好ましいシステム及び要素が開示された
が、1分当りシステムにより記憶されることの所
望される細胞の数に依存して、もつと緩動作のそ
してもつと安価な機器が使用されうるし、またも
つと迅速動作の機器も必要とされるかも知れな
い。もちろん、これら機器のサイクル時間はまた
検出器配列体における検出器の数に関係する。10
〜50の検出器からなる検出器配列体を使用するこ
こで開示したシステムに対しては、細胞測定速度
は1000〜60000個/分のオーダに達する。これは
ほとんどの細胞分類要求に少く共等しい充分な速
度である。もつと迅速に作動する機器を使用する
ことに加えて、多数のメモリ及びミクロ処理シス
テムを使用することによりもつと高い分類速度が
実現されうる。細胞の流れにおいて、平均細胞速
度は多数の液滴が細胞を含んでおらず従つて細胞
分類機により細胞流れから偏向されるという事実
に由り最大細胞測定速度より相当に小さくなろ
う。 以上本発明の好ましい具体例について説明した
が、本発明の範囲内で多くの改変を為しうること
を銘記されたい。
Table: Based on these different peak ratios, particles of the same size but with slightly different physical properties can be easily distinguished, as this table easily shows. Thus. To distinguish between particles of different sizes and different textures, such as those present in a suspension of mammalian cells, the differential light scattering patterns produced by the various individual particles are first compared to the peaks they exhibit. This sorting operation divides the resulting patterns into sets of scattering patterns originating from particles of approximately the same size. After such rough size classification,
Particles of approximately the same size are compared to each other. As a first identification of these particles, the intensity of the first peak is used as a standard value and the second peak relative to this first peak is used as a standard value.
The ratio of peak intensities is used as a more accurate classification than simply size classification. In fact, as mentioned above, leukocytes contain a number of different cell types, and these various types of cells have a size of approximately 8 μm.
They range in size from lymphocytes at around 18 μm to granulocytes at approximately 18 μm. The dimensions of a significant number of these cells are approximately equal, for example on the order of 12-13 μm. Such particles may have about 4-5 peaks in their light scattering pattern when irradiated with vertically polarized monochromatic infrared light. If the ratio of the first peak to the second peak is used to identify these particles in a simple two-dimensional analysis, a variety of overlapping Gaussian distributions will generally result in overlapping distributions of leukocyte types in this narrowed size range. therefore brought about. To further differentiate these distributions, each successive peak ratio can be used in a multidimensional vector analysis. Although such tasks can be accomplished manually, for example, a typical multidimensional vector space partitioning analysis for classifying samples with similar characteristics uses an appropriately programmed electronic computer. It is more convenient to use standard pattern recognition techniques such as . Such analysis techniques are well known to those skilled in the art and are routinely performed today to classify complex data using multidimensional arrays. When a large number of cells are to be analyzed or when for some reason it is inconvenient to accomplish cell identification and classification manually, an electronic system such as that shown in FIG. 5 may be used. In this system, the output of each detector in detector array 44 is preferably provided to a logarithmic amplifier 72. By converting each detector output signal, which is a linear function of the light intensity generated at each detector, into a logarithmic value, as accomplished by a logarithmic amplifier 72,
The dynamic range of the system is increased considerably without increasing digital data processing requirements. In addition,
For example, comparing ratios requires simply subtracting logarithmic values, which greatly simplifies data processing and comparison. On the other hand, with the rapid emergence of inexpensive digital computers, the use of linear amplifiers to additionally handle more complex computational tasks is equally attractive. The response of these separate logarithmic to linear amplifiers is standardized by first projecting light of uniform intensity onto all of the detectors in the array simultaneously and then adjusting the amplifiers so that all produce the same output. It can be done. Detector standardization is not required if the absolute difference between the gains of individual detectors is measured and stored for subsequent calculation correction. Alternatively, the intensity setting generated by a single particle can be used as a reference setting and thereby standardize or modify all subsequent settings. Because of the excellent linearity of each detector in the infrared-sensitive detector array discussed earlier, the output of the logarithmic amplifier, after standardization adjustment, represents the logarithm of each intensity of radiation impinging on each detector. Represent accurately. These logarithmic amplifiers are manufactured by Analog Devices, Inc. and are manufactured by Device No.
755 can be used. These respective outputs are transmitted to sample and peak detector 74. The peak detector is, for example, Buyul Braun equipment No. 4084.
It can be done. A discriminator 76 is coupled to a logarithmic amplifier that provides the output of the smallest angle detector. As the intensity generated by this low angle detector changes in response to the passage of the particle, this change is recorded by the discriminator. Discriminator 76 is also connected to peak detector 74 and holds them in the clear state until the previous analysis cycle is completed and the next cycle is initiated. This is triggered by the intensity of the output of a logarithmic amplifier connected to the detector at the lowest angle above a predetermined level sufficient to indicate that a particle is passing through the beam of monochromatic radiation. As the particles pass through the beam, the output of each detector changes until it reaches a maximum value, which is stored by the peak detector 74 connected to it. These stored intensities correspond to the intensities of the differential light scattering patterns produced by the particle at various sequential angles of the detector. As the particle passes out of the laser beam, the intensity sensed by the lowest angle detector diminishes and disappears. Discriminator 76 responds to this decreasing intensity and activates control logic 78 via connection line 80. Control logic circuit 78
ultimately operates the analog-to-digital converter 82. The A/D converter 82 has each peak detector 74
are sequentially connected to each other by a multiplexer 84.
Such multiplexers and converters are available, for example, from Buyul Braun's Data Acquisition Unit.
Available as MP8126. As a result of this processing, the logarithmized analog signal stored in each of the peak detectors is converted to a digital representation. The digital representations are conveyed to a storage device 86, preferably formed by emitter-coupled logic elements such as those manufactured by Motorola, where they are sequentially stored. Thus, stored in the memory is a digital representation of the maximum value of the scattered light intensity sensed by each successive detector in array 44. After this operation, control logic 78 signals discriminator 76 to allow it to accept the next new data. In the preferred embodiment, memory 86 is connected to microprocessor 88. The microprocessor examines the data by traversing the digital information stored in memory to determine the number of peaks present, and if the number and spacing of detectors is insufficient to give the desired accuracy, a mathematical Use interpolation. This study aims to determine the number of such peaks,
Provides a digital sequence output representing position and value. More specifically, the microprocessor analyzes the data to produce a first ratio value, e.g., to determine the ratio of the measured second peak intensity to the measured first peak intensity; A digital representation is maintained by a microprocessor. In a similar manner, the microprocessor processes the data stored in the memory to determine the successive peak ratios, thereby first determining the differential light produced by the grain just sensed by the detector array. A digital output is produced indicating the number of peaks in the scattering pattern and then some peak ratio values for this particle, such as the ratio values presented in the table. Microprocessor 88 and control logic circuit 78
Both may use bipolar high speed bit slicing microprocessors manufactured by Motorola or Texas Instruments (eg, Motorola Microprocessor No. MC10800).
The microprocessor is controlled by a programmable read-only memory to accomplish the sequential analysis described above or any other desired analysis. The resulting digital data stream is stored on a disk-type data storage unit 90, displayed on a video terminal 92 or printed on a printer 94.
is output as a hard copy output. Alternatively, it may be stored in a large storage device.
Storage, video terminals and printers can be connected directly to the microprocessor, but preferably further analysis of the data is accomplished by minicomputer 96. The central processing unit first causes the data to be transmitted to disk data storage unit 90. The processing unit then analyzes the stored data, e.g. by a multidimensional vector space partitioning analysis program or other suitable sorting algorithm as previously described, to determine the various types of suspension present in the suspension supplied to the system. A video representation of the cell type is displayed on terminal 92, and this representation is printed by printer 94 in response to user commands. The minicomputer 96 is, for example, a PDP11-20 manufactured by Digital Equipment. Of course, various other computer systems could accomplish this analysis quite satisfactorily. Many conventional systems that use a detector or detector array to measure light scattered by an object along a substantial arc of a circle move the detector or detector array at a constant radius from the object throughout the measuring arc. It emphasizes the importance of maintaining distance. As mentioned above, it is preferred to use a detector array in the method of the invention. This requirement to maintain a constant radial distance imposes significant limitations on the array. Not only must the device be constructed to form an arc of suitable radius and length, but according to conventional teachings, the sensitivity of each element of the detector array must be very uniform. Such limitations significantly increase the cost of the detector array and associated electronic systems required to achieve and maintain such uniformity. The reason for this requirement is that the light intensity decreases inversely as the square of the distance from the scattering object. Thus, if a detector array is used and all of the detectors in the array are not uniformly at the same distance from the object emitting radiation, the light intensities impinging on the elements of the array will not be equal. Furthermore, the surface areas of the elements must be exactly the same so that they receive the same solid angle of radiation. All of this is to achieve uniformity of response of each detector in the array to ensure uniform scattering by the illuminated object. Only when such uniformity is achieved can a light scattering pattern as illustrated in FIG. 4 be achieved. An important aspect of the invention is that such uniformity need not exist in the detector array. In practice, the detector array may consist of a number of linear sections arranged along the interior of the housing. Such a linear section is shaped as shown in FIG. Of course, more or fewer compartments can be used as desired, and they can be configured in a variety of other ways. Each adjacent element or detector of the array at a different radial distance from the scattering object receives scattered light at a different solid angle. Additionally, these detectors do not need to be in the same plane. These differences in the array result in significant distortions of the intensity of light sensed by the detectors that make up the array. This distortion can be thought of as a simple modification of the undistorted scattering pattern. However, such a modification does not lead to incorrect characterization of the analyzed cells. Light scattered by each substantially equivalent cell results in a distorted but substantially equivalent scattering pattern that is provided to a data processing device. Similarly, cells of different characteristics result in correspondingly different scattering patterns that are similarly deformed, which are fed to the data processing device. identification,
For characterization or identification purposes, consistency is established between the array elements and between the responses transmitted to the data processing system from equivalent particles irradiated upon passage through the detector housing, and within the detector housing. It is only necessary to establish a difference between the modified scattering patterns applied to the preprocessor for the different cells being irradiated. Although a detector arrangement composed of various linear detector sections, such as that shown in FIG. cells are irradiated, resulting in substantially identical light scattering patterns being provided to the preprocessor, and substantially different cells resulting in substantially different patterns being provided to the processing system. . Thus, the system is still able to correlate cells that are substantially equivalent and to discriminate between cells that are not equivalent.
For this reason, considerable savings in the cost and simplification of the structure of the detector array are achieved, which is the main objective of the present invention, namely the rapid detection of mammalian cells, pollen and other large particles such as fungal plant spores. This is achieved in achieving unambiguous identification, characterization and identification. It should be noted that the modified DLS patterns measured for particle identification and discrimination can be of many different types and measured in many different ways. Although a detector array is preferred for this purpose, it is not mandatory. Other methods exist for measuring and recording DLS patterns. If the illumination source is coaxial with the particle stream, a single detector can synthesize a continuous array of DLS patterns. Such a configuration is illustrated in FIG. The radiation beam 102 is reflected by a mirror 104 dimensioned to direct the beam along the falling path of the cells 106. As each cell enters the detector housing 108, the cell enters the light receiving field of a single detector 110. During the migration of the cells through the housing, the scattered light from the cells is transmitted to the detector 11.
0 is received consecutively. The output of the detector is thus a continuous representation of the light scattered by the cell from the minimum angle received by the detector as the cell passes into the housing to the maximum angle received as the cell exits the housing. .
This representation, when plotted as a function of time (and thus as a function of scattering angle), results in the differential light scattering pattern of the cell and can be used in the analysis system described above. As the cells approach mirror 104, they are deflected into reservoir 114 by a jet from air jet 112. Another method for measuring differential light scattering patterns is to use a single rotating detector.
If this single detector is made to rotate around the particle for a period shorter than the particle's transit time through the orthogonal illumination beam, a sufficient DLS pattern will be obtained. Such a form is described in Science Vol.
190, October 1975, pp. 375-377, in the paper entitled "Precise Measurement of Particulate Matter by Light Scattering in Optical Resonance". Still alternatively, the particles may be captured electromagnetically and scanned individually. See US Pat. No. 3,754,830. For subsequent mathematical analysis, such a DLS pattern or a portion thereof can be converted into a digital representation. As previously discussed and re-emphasized here, such a pattern has N coefficients (N2
ρ) or by N individual intensity values over the angular range of interest. For digital purposes, it is probably most economical to store such a DLS pattern for N coefficients. based on these later
DLS patterns can be recovered. This is much more economical than the equivalent number of digitally stored DLS patterns obtained from a synthetic continuum array resulting from a single detector configuration of the type described above. Although preferred systems and elements have been disclosed above, depending on the number of cells desired to be stored by the system per minute, more slow-acting and less expensive equipment may be used, and and rapid-acting equipment may also be required. Of course, the cycle time of these instruments is also related to the number of detectors in the detector array. Ten
For the system disclosed here using a detector array of ~50 detectors, cell measurement rates reach the order of 1000-60000 cells/min. This is fast enough for most cell sorting needs. In addition to using faster operating equipment, higher classification speeds can be achieved by using multiple memories and microprocessing systems. In a cell stream, the average cell velocity will be considerably smaller than the maximum cell measurement velocity due to the fact that many droplets do not contain cells and are therefore deflected from the cell stream by the cell sorter. Although preferred embodiments of this invention have been described above, it should be noted that many modifications may be made within the scope of this invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明方法において使用する好ましい
装置の概略フローシートである。第2図は好まし
い装置の細胞取扱い部分の概略説明図である。第
3図は検出器配列体を示す検出器ハウジングの水
平断面を示す。第4A,4B,4C及び4D図は
高含水量の細胞から得られた赤外示差光散乱パタ
ーンの例を示す。第5図は解析システムの概略フ
ローシートである。第6a,6b及び6c図は検
出器配列体の変更例を示す第3図と同様の図面で
ある。第7図は別の検出器構成例を示す。 2:ソータ(分類器)、6:検出器、8:記録
計、22:オリフイス、26:液滴、30:検出
器、32:解析器、34:静電気偏向板、36:
細胞を含まない液滴、38:細胞を含む液滴、4
4:感知器配列体、42:ハウジング(散乱
室)、46:導入口、48:排出口、50:輻射
源、52:赤外線、69:乾燥空気源、72:対
数増幅器、74:ピーク検出器、84:マルチプ
レクサ、82:A/D変換器、76:弁別器、7
8:論理制御ユニツト、86:メモリ、88:マ
イクロプロセツサ、96:ミニコンピユータ、9
0:デイスクデータ記憶装置、92:ビデオデイ
スプレイ、94:プリンタ。
FIG. 1 is a schematic flow sheet of a preferred apparatus for use in the method of the present invention. FIG. 2 is a schematic illustration of the cell handling portion of the preferred device. FIG. 3 shows a horizontal section through the detector housing showing the detector array. Figures 4A, 4B, 4C and 4D show examples of infrared differential light scattering patterns obtained from cells with high water content. FIG. 5 is a schematic flow sheet of the analysis system. Figures 6a, 6b and 6c are similar to Figure 3 showing a modified detector arrangement. FIG. 7 shows another example of the detector configuration. 2: Sorter (classifier), 6: Detector, 8: Recorder, 22: Orifice, 26: Droplet, 30: Detector, 32: Analyzer, 34: Electrostatic deflection plate, 36:
Droplet without cells, 38: Droplet with cells, 4
4: Sensor array, 42: Housing (scattering chamber), 46: Inlet, 48: Outlet, 50: Radiation source, 52: Infrared rays, 69: Dry air source, 72: Logarithmic amplifier, 74: Peak detector , 84: multiplexer, 82: A/D converter, 76: discriminator, 7
8: Logic control unit, 86: Memory, 88: Microprocessor, 96: Mini computer, 9
0: disk data storage device, 92: video display, 94: printer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 懸濁液中にあり、可視光の波長より実質上大
きい寸法の細胞を分析する為の方法であつて、 細胞の懸濁液をエーロゾル化して一部が細胞を
含んでいる一群の液滴を生成する段階と、 細胞を含む液滴を細胞を含まない液滴から分離
する段階と、 分離された細胞を細胞の寸法に比較して共鳴領
域にある波長を持つ単色光輻射ビームで照射する
段階と、 照射された細胞各々により散乱された与えられ
た偏光の輻射強度を検出して各細胞の寸法、形
状、及び誘電性質を特性づける示差散乱パターン
を得る段階と、 検出したパターンを記録して照射した細胞を特
性決定する段階と を包含する細胞分析方法。 2 各パターンに対して検出された強度組のうち
極値を測定し、 検出された強度組のうちの極値の数を計数して
各パターンに対する総計数を与え、 この総計数を平均寸法間隔と関連づけ、そして
各検出パターンを関連する平均寸法間隔の一群の
基準パターンと比較して、この比較により既知の
基準パターンと各粒子を特性づけるかまたは関連
づける ことにより検出強度を解析する前項1に記載の方
法。 3 細胞を照射するのに使用される輻射線として
細胞の寸法に実質上等しい大きさを越えずそして
細胞の寸法の約1/12以上であるような波長のもの
を使う前項1に記載の方法。 4 各細胞に対する検出信号の角度順序により表
わされるパターンの極値の角度位置を位置決めし
て各細胞に対して一組の極値データ組を得、 選択された角度範囲内で極値の数に基いて極値
データ組を粒子寸法グループに組分けし、 各極値強度値を基準極値の強度値に対して標準
化し、そして、 前記標準化された値を基準値と比較して各分析
細胞を基準細胞組の一つと関連する ことにより検出パターンを分析する前項3に記載
の方法。 5 細胞の懸濁液をエーロゾル化して一部が細胞
を含んでいる一群の液滴を生成する段階と、 細胞を含む液滴を細胞を含まない液滴から分離
する段階と、 分離された細胞を細胞の寸法に比較して共鳴領
域にある波長を持つ単色光輻射ビームで照射する
段階と、 照射された細胞各々により散乱された与えられ
た偏光の輻射強度を検出して各細胞の寸法、形
状、及び誘電性質を特性づける示差散乱パターン
を得る段階と、 検出したパターンを記録して照射した細胞を特
性決定する段階と を包含する方法により既知細胞の懸濁液を分析す
ることにより基準となる値の組を得る前項4に記
載の方法。 6 分離された細胞を順次照射する前に各細胞液
滴を取巻く液体を蒸発する段階を含む前項5に記
載の方法。 7 細胞として哺乳動物細胞、真菌植物胞子及び
花粉から成る群から選択される有機質細胞を使う
前項6に記載の方法。 8 輻射強度を照射ビームの方向に対して充分な
数の角度位置においての検出器配列体の要素によ
り検出する前項5に記載の方法。 9 位置の数NがN〔2πDnaxp/λp
4〕θ/180゜ここで、 θ:検出器によりカバーされる角度範囲、 np:測定が為されている媒体の屈折率、 Dnax:最大の細胞または粒子直径、 λp:入射線の真空中での波長 である前項8に記載の方法。 10 検出器配列体のN個の検出器の角度位置が
チエビチエフ多項式TN-1(X)のN根により与
えられる (ここで X=θ−(θ+θ)/2/(θ−θ
)/2であり、 そしてθ<θが測定されるパターンの角度
範囲を定義する2つの限界角度である) 前項9に記載の方法。
[Claims] 1. A method for analyzing cells that are in a suspension and have a size substantially larger than the wavelength of visible light, the method comprising aerosolizing a suspension of cells so that some of the cells contain the cells. separating the cell-containing droplets from the cell-free droplets; and separating the separated cells from a monochromatic color having a wavelength in the resonant region compared to the dimensions of the cells. irradiating with a beam of optical radiation; detecting the radiation intensity of a given polarization scattered by each of the irradiated cells to obtain a differential scattering pattern characterizing the size, shape, and dielectric properties of each cell; and recording the detected pattern to characterize the irradiated cells. 2 Measure the extreme values of the detected intensity pairs for each pattern, count the number of extreme values of the detected intensity pairs to give a total count for each pattern, and calculate this total count as the average dimension interval. and comparing each detected pattern with a set of reference patterns of associated average size spacing, and analyzing the detection strength by characterizing or associating each particle with a known reference pattern by this comparison. the method of. 3. The method according to item 1 above, in which the radiation used to irradiate the cells has a wavelength that does not exceed a size substantially equal to the size of the cells and is about 1/12 or more of the size of the cells. . 4 Locate the angular position of the extreme values of the pattern represented by the angular order of the detection signal for each cell to obtain one extreme value data set for each cell, and calculate the number of extreme values within the selected angular range. sort the extreme value data set into particle size groups based on the data set, normalize each extreme intensity value to the intensity value of the reference extreme value, and compare the standardized value with the reference value to determine the size of each analyzed cell. 3. The method according to item 3, wherein the detected pattern is analyzed by associating the detected pattern with one of the reference cell sets. 5. aerosolizing a suspension of cells to produce a group of droplets, some of which contain cells; separating droplets containing cells from droplets not containing cells; and separating the separated cells. irradiating with a beam of monochromatic light radiation having a wavelength in the resonant region relative to the dimensions of the cell, and detecting the radiation intensity of a given polarization scattered by each of the irradiated cells to determine the dimensions of each cell; A standard is obtained by analyzing a suspension of known cells by a method that includes obtaining a differential scattering pattern characterizing the shape, dielectric properties, and recording the detected pattern to characterize the irradiated cells. The method according to item 4 above, for obtaining a set of values. 6. The method of item 5, comprising the step of evaporating the liquid surrounding each cell droplet before sequentially irradiating the separated cells. 7. The method according to item 6 above, wherein the cells are organic cells selected from the group consisting of mammalian cells, fungal plant spores, and pollen. 8. The method of claim 5, wherein the radiation intensity is detected by elements of the detector array at a sufficient number of angular positions relative to the direction of the illumination beam. 9 The number of positions N is N[2πD nax n pp +
4] θ/180° where θ is the angular range covered by the detector, n p is the refractive index of the medium in which the measurement is being made, D nax is the largest cell or particle diameter, and λ p is the diameter of the incident beam. The method according to the preceding item 8, which is a wavelength in a vacuum. 10 The angular positions of the N detectors of the detector array are given by the N roots of the Tievichiev polynomial T N-1 (X), where X=θ−(θ 12 )/2/(θ 2 − θ 1
)/2, and θ 12 are the two limit angles that define the angular range of the pattern to be measured).
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